什么是量子起伏？

为什么是量子起伏相同即为相干态？~

相干态
是量子力学中量子谐振子能够达到的一种特殊的量子状态[1]。量子谐振子的动力学性能和经典力学中的谐振子很相似。1926年埃尔温·薛定谔在解满足对应原理的薛定谔方程时找到的第一个量子力学解就是相干态[2]。在大量物理系统中量子谐振子和相干态存在。比如一个位于二次方位能井中的粒子的振荡运动就是一个相干态。
量子涨落
测不准原理允许的虚无空间状态的暂时性变化。量子测不准原理允许从完全全空无一物中间出现少许能量，前提是该能量在很短时间内重归消失（涨落涉及的能量越小，它持续的时间越长）”
我以前是这么理解的，我把量子涨落想象为频率，他们涨落相同我就想象为频率相同。然后他们就能产生“干涉”（有点受光学影响哈，不过这些问题让我自己理解确实我觉得很难，所以我就怎么方便理解我就怎么理解了）。他们能产生“干涉”，即为相干态。

量子泡沫也叫时空泡沫（spacetime foam），是惠勒（John Wheeler）1955年根据量子力学提出的概念，所以又叫惠勒泡沫。
量子泡沫即为诞生前宇宙的概念化。在量子泡沫的普朗克尺度，时空不再是平滑的，许多不同的形状会像泡沫一样随机浮出，又随机消失，这样在微小世界的能量起伏，就是量子涨落。在量子涨落中形成的小通道，就是所谓的虫洞，而这些量子虫洞则又可以连接到周遭众多的起伏泡沫，那些量子泡沫就是幼宇宙。
名称定义

量子泡沫也叫时空泡沫（spacetime foam），是惠勒（John Wheeler）1955年根据量子力学提出的概念。量子泡沫是极小尺度（普朗克长度量级）下量子振荡的定性描述。在这么小的时空尺度下，不确定关系使粒子和能量瞬间产生，然后

湮灭
随着讨论时空尺度的缩小，虚粒子能量将增加。量子泡沫是由真空涨落引起的，同不确定性，只有在微观尺度上才能显现出这种特征。足够小尺度下能量的“泡沫”式涨落将大到足以在较大尺度下观测到相对平滑时空的显著偏离。但我们必须有一个量子引力理论才能指出在什么样的尺寸下才能出现这样的量子泡沫，现有的各种量子理论不能精确地描述这么小尺度下的物理。

研究发展
在相对论无法奏效的时候，量子理论就会出现。
惠勒本人是从量子理论进入广义相对论的，使用量子理论更加得心应手。在讨论真子时，他就想到，如果考虑到量子效应，则会有很小的真子。同样，他相信，量子力学可能支持虫洞的存在。
1928年，狄拉克提出的相对论性电子运动方程预言了正电子及反粒子的存在，这导致真空的意义发生了变化。真空不再是虚无的空间，而是负能态恰好被填满的状态，或者说，是正反粒子恰好平衡的状态。真空既然并非空无一物，必然不是稳定的。只要外界存在微扰，就会产生涨落。涨落一旦产生，就会继续涨落。真空的涨落表现为正反粒子不断产生和湮灭。根据测不准关系，区域越小，涨落越大。时间和能量是一对满足测不准关系的共轭量，因而能量守恒定律会在短时间中被违背。时间越短，偏离守恒的能量越大，就会产生质量更大的正反粒子；这些正反粒子的寿命也就越短。
所以，一个平静于虚空中的电子根本不是平静的。如果使用一个很高很高能量的假想的显微镜放大它，就会看到这个电子的周围环绕着很多很多活跃的邻居。其余的电子和正电子正在肇生和湮灭。光子正在诞生和死亡。重粒子也加入这个不停的创生与湮灭之舞。我们离它越近，这些活动就越激烈。这个“孤立的”电子是沸腾的火山中的结点（nub）。就在这整个宇宙的小小微宇宙中，在粒子范围能够发生的一切事情都在发生着。
然后，当我们退回到大尺度空间，用低能量的显微镜来观察，一切变得简单而有秩序。远远地看，那儿有一个孤单的电子，具有一个单位的负电荷，有特定的质量和自旋，看起来处身于伟大的孤独之中。然而，如果我测量它的磁矩（由于其自旋电荷产生的磁场强度），我们发现，这不是由原始狄拉克孤立电子理论所预言的那个值，而是那个值的1.001159652倍。蜂拥而来的虚幻粒子成了电子的随员，尽管看不见，但是我们知道它们在那儿。甚至在远离电子的地方，也在电子的磁场上留下了不容否认的痕迹，使它高出了千分之一。
这种建立在粒子描述上的可视模型当然只存在于符号实在之中，事实上，我们永远也不可能对这样的尺度有真正的视觉经验。这个描述给出了我们想象极微观世界的一种方式。这个想象我们可以在另一种场景找到对应。当我们在飞机上俯瞰大海，海面看起来平坦如镜。随着高度的降低，如镜的海面逐渐有了细节，有了涟漪。再向下，会出现波浪。等到临近水面时，又会出现急流、旋涡、水的泡沫。从不同的尺度观察，就会有不同的景象。当我们深入实在的深处，发现实在呈现出远距离观测所无法想象的情景。但是，这种完全由理论所推断的结果是否真的是实在本身？当我们这样问的时候，仍然假设了一种预先存在的感知实在或者本体实在。
惠勒在深入广义相对论之初，就在考虑广义相对论与量子理论之间的联系。“如果量子理论控制电场、磁场和中微子场，难道它不应该同时也控制引力场，即空时自身吗？” 惠勒发现，在考虑了量子现象之后，空间和时间都在小区域内变得紊乱不定。
甚至紊乱还不足以形容。空时在足够小的区域中应该不仅仅是“崎岖坎坷”，不仅仅是曲率飘忽游荡；它应该碎化成动荡不停的多连通几何。在非常小的区域非常短的瞬间，虫洞应该是这个场景中非常多的一个成分，就像使电子能量和磁场发生微小偏移的跳动的虚拟粒子一样多。
让我们再次拿起假想的显微镜，透视到某些物质粒子附近，比如质子，盯住空时自身，我们会看到什么？当我们注视一个极微小的空间，10-16米，在单个质子尺度内；一个极微小的瞬间，10-24秒，光不足以从质子的一边跑到另一边，我们看到了预期的凝固的粒子之舞，量子涨落赋予极微小世界以如此丰富的生命活力。但是，作用于时间和空间的这种效应我们却什么也看不到。在稍大一点的尺度，空时如玻璃一样平滑。
沿着这种思想继续下去，惠勒深入到更微小的尺度，深入到普朗克长度的量级。
所谓普朗克长度是普朗克用一些基本物理常数，包括引力常数G、电磁理论中的光速c、还有以他自己的名字命名的量子常数h凑出来的一个具有长度量纲的量。“他不知道这个长度代表什么，但是他相信这是一个‘自然的’长度，比任何建立在我们日常世界中所见的客体的长度（比如，米最初的定义是从赤道到极点距离的一千亿分之一）更有意义。”
这个常数的意义在惠勒与Misner的讨论中浮现出来，他们认为：“正是这个‘普朗克长度’设定了空时的量子起伏的尺度。”
普朗克长度小得令人不可思议：想象一串小球，每一个小球的直径都是普朗克长度。如果让这样一串小球连起来横跨质子的直径，球的数目就会和连起来横跨新泽西的质子数目一样多。把100,000个质子排列起来，是一个原子的尺度；把一百万个原子排列起来，可以从这个句子末端那个句号的一端到另一端。不需要告诉你要用多少个句号横跨新泽西。相对于普朗克长度来说，甚至我们称之为基本粒子的那样微小的实体，都是一片广袤巨大的不动产。把这个比方从距离转到钱上，一便士之于美国年度财政预算是一个普朗克长度之于质子线度的一百万倍。
对应于“普朗克长度”，还有一个“普朗克时间”。这是光走过普朗克长度所需要的时间。“如果钟表在每一个普朗克时间单位咔哒一声，一秒钟咔哒的数目比我们手表中的石英晶体在宇宙寿命期间振动的数目还要多几十亿倍。普朗克时间短得无法看到——但是并没有短得无法思考！如果在普朗克长度内发生某些有趣的事情，就会在普朗克时间内发生。”
让我们的想象力向下旅行进入一个前所未小的区域，在抵达单个质子的尺度后，我们还要走10的二十次幂才能到达普朗克长度。只有在那时，原子和粒子世界光滑如镜的空时才会让位给离奇的空时几何的沸腾的混沌。虫洞无非是这种畸变的一个简单表现。这种起伏是如此巨大，以至于无法就字面的意义谈左和右，前和后。长度的通常意义消失了，时间的通常意义也挥发了。对于这种状态，找不出比量子泡沫更好的词来命名它。

产生
量子泡沫被认为是由非常高能量的虚粒子产生的。虚粒子概念出现于量子场论中，当粒子发生相互作用时，虚粒子短暂地产生并湮灭；尽管虚粒子从未被实际观测到，但根据虚粒子概念预言的效应被实际观测到了。虚粒子可被认为在真空中短暂地产生并湮灭，这种真空涨落会影响真空的性质，导致非零能量即真空能的存在；按量子力学概念，这是一种零点能。

尺度
普朗克长度是目前物理学所能描述的最小尺度。在这个尺度以下，物理学给不出任何有意义的结论。因而，普朗克长度也就是符号实在的最小尺度。如果从还原论的角度看，量子泡沫应该是实在的最小基元，但却很难想象这个基元能够支撑起经典实在。
在量子泡沫中，时间和空间都失去意义，因果规律不再有意义，物理学定律也不再有意义。
来自百度百科http://baike.baidu.com/link?url=0mP-KNgzsJMjHZHsEddrvAPzzodeS3j2TnKTkpDVnbGQr2iTjb8AjMEV8aNTHmuDSOgAb-eqkdIq7HZpQ7Vjpa

一九八五年的一个学期末，加州理工大学 (California Institute of Technology)
的理论物理学教授 Kip S. Thorne 刚刚上完一学年的课，正慵懒地靠在办公室的椅
子上休息，电话铃却忽然响了起来。打来电话的是他的老朋友，著名行星天文学家
Carl Sagan。 Sagan 当时正在撰写一部描写人类与外星生命首次接触的科幻小说。
写作已经接近尾声，但身为科学家的 Sagan 希望自己的作品 - 即便是一部科幻小说
- 也尽可能地不与已知的物理学理论相矛盾。在这部小说中 Sagan 安排女主人公通
过黑洞 (Black Hole) 穿越了 26 光年的距离， 到达遥远的织女星 (Vega)。这是整
部小说中最具震撼性的情节， 但是从物理学的角度来看， 却也是最可疑的细节。于
是 Sagan 打电话给从事引力理论研究的 Thorne，为这一细节寻求技术咨询。经过一
番思考和粗略的计算，Thorne 告诉 Sagan 黑洞是无法作为星际旅行的工具的，他建
议 Sagan 使用 wormhole (虫洞) 这个概念，于是便有了随后出版并被拍成电影的著
名科幻小说 ?Contact?。

Sagan 的小说顺利地出版了，Thorne 对 wormhole 的思考却没有因此而结束。三年
后，Thorne 和他的学生 Mike Morris 在 American Journal of Physics 上发表了
题为 “时空中的 wormhole 及其在星际旅行中的用途” 的论文 [1]，由此开创了对
所谓 “可穿越 wormhole” (traversable wormhole)[注一] 进行研究的先河。作为
教学性刊物的 American Journal of Physics 也因此而有幸在一个全新研究领域的
开创上留下了值得纪念的一笔。

Morris 和 Thorne 的文章在 wormhole 研究中具有奠基性的意义，不过 wormhole
这一名词却并非是他们两人的发明。早在一九五七年 C. W. Misner 和 J. A. Wheeler
就在一篇文章 [2] 中提出了这一名词。那篇文章讨论的主题是所谓的 “几何动力
学” (Geometrodynamics) - 一种试图把物理学几何化的理论。Misner 和 Wheeler
的 “几何动力学” 后来并没有走得很远，但他们在文章中提出的 wormhole 这一
概念却在事隔三十一年之后得到了全新的发展，并成为以星际旅行为题材的科幻小说
中的标准词汇，可谓是 “有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”。

二. 什么是 wormhole？

那么究竟什么是 wormhole 呢？形象地说 wormhole 是连接两个空间区域的一种 “
柄” 状的结构。 [图一] (插图请见文末的原文网址) 便是一种很流行的 wormhole
图示，图中用蓝色轮廓线表示的倒 U 字形曲面代表我们生活在其中的空间，连接两
个空间区域 A 和 B 的黄色线段代表的便是这种 “柄” 状结构，即 wormhole 结构
。 [图一] 是一种抽象化的图示，黄色线段实际上代表的是具有一定线度的结构，类
似于后面图三所示。不难看到，由于这种 “柄” 状结构的存在，在 A 和 B 之间存
在着两种不同类型的路径：一类由绿色曲线表示，代表在普通空间中的路径；另一类
由黄色线段表示，代表由于 wormhole 的存在而形成的新路径。由 [图一] 可以看到
，沿黄色路径从 A 到 B 显然要比沿绿色路径近得多。通常科幻小说 (包括前面提到
的 Carl Sagan 的小说 Contact) 中描述的通过 wormhole 进行星际旅行指的就是沿
图中黄色路径进行的。

[图一] 所示的 wormhole 被称为 “宇宙内 wormhole” (intra-universe wormhole
)，它连接的是同一个宇宙中的两个不同的空间区域。除此之外，在理论上还有一类
所谓的 “宇宙间 wormhole” (inter-universe wormhole)，这类 wormhole 连接的
则是两个不同的宇宙。我们所讨论的星际旅行中的 wormhole 通常属于前一类。不过
由于这两类 wormhole 的差别仅在于空间的大范围拓扑结构，对于讨论 wormhole 本
身的结构来说它是属于哪一类的并不重要。

在进一步讨论 wormhole 之前，有必要先澄清一个或多或少存在于文献中的概念误区
(或者说即使文献的作者心中并无误区，却特别容易在读者中造成误区的概念)，那
就是 wormhole 的存在并不意味着它们就是空间中的短程连接 (short-cut)，也就是
说并不意味着它们可以作为有意义的星际旅行手段。仔细观察 [图一] 不难发现 wormhole
之所以成为 A B 之间的短程连接完全是由于空间弯曲成倒 U 字型所致。按照广义
相对论，空间 (确切的说是时空) 的弯曲是由物质分布决定的，因而 [图一] 所表示
的 wormhole 除了 wormhole 本身外，还对远离 wormhole 的背景空间中的物质分布
作了十分苛刻的假定。如果不作这种相当人为的假定，wormhole 的结构更有可能类
似于 [图二] 所示。在 [图二] 中，由 wormhole 所形成的连接 A B 的黄色路径要
比普通空间中的路径 (绿色路径) 更长。很明显，利用 [图二] 所示的 wormhole 做
A B 之间的星际旅行是不明智的举动。因此在概念上 wormhole 并不等同于星际旅
行的捷径。

三. Carl Sagan 式的问题

尽管如此，wormhole 无论对于物理学家，天文学家还是星际旅行家来说都依然是一
个极富魅力的概念。前面提到的行星天文学家 Carl Sagan 对于星际旅行的许多问题
有一种很独特提法，即从一个无限发达的文明 (infinitely advanced civilization
) 的角度来看星际旅行的可行性。对于 wormhole，一个 “Carl Sagan 式” 的问题
可以表述为：

一个无限发达的文明是否可能利用 wormhole 作为星际旅行的工具？

Sagan 所谓的 “无限发达的文明” 指的是在物理规律许可的情况下拥有一切能力的
智慧生命。对于这种无限发达的文明来说 [图一] 和 [图二] 所示的 wormhole 并无
实质的差别，只要 wormhole 存在，即使它的结构如 [图二] 所示，他们也可以通过
改变背景空间的曲率使之变为 [图一] 的形式。因此在这种 “Carl Sagan 式” 的
问题中背景空间的具体结构并不重要。

要利用 wormhole 作为星际旅行的工具当然首先得要有 wormhole。宇宙间究竟有没
有 wormhole？这归根结底是一个观测的问题。迄今为止在天文学上并没有观测到任
何有关 wormhole 存在的直接或间接的证据，因此现阶段我们对 wormhole 的探讨仅
限于理论范畴。自 Morris 和 Thorne 以来物理学家们在对 wormhole 的研究上又获
得了一些重要的结果。这些结果主要是在引力和时空的经典理论 - 广义相对论 - 的
框架内获得的。经过近一个世纪的研究，物理学家们对广义相对论的数学结构已经了
解得十分透彻。尤其是近三十余年来，随着现代微分几何手段的应用，许多非常普遍
的命题被相继证明，其中的一些对于 wormhole 的研究具有十分重要的意义。

为了获得可做星际旅行用途的 wormhole， 一个无限发达的文明可以作两方面的努力
：

如果宇宙中不存在 wormhole，他们可以试图 “创造” wormhole。
如果宇宙中存在 wormhole，他们可以试图 “改造” wormhole，使之适合于星际旅
行的需要。
四. Wormhole “创世记” - 恼人的因果律

所谓 “创造” wormhole，指的是在原本没有 wormhole 的空间区域中产生 wormhole
。我们已经知道 wormhole 是空间中的一种 “柄” 状的结构，在拓扑学上具有这种
“柄” 状结构的空间被称为是复连通的，而没有这种 “柄” 状结构 (即没有 wormhole
) 的普通空间则是单连通的。因此从拓扑学角度看，“创造” wormhole 意味着使空
间的拓扑结构发生变化。

那么空间的拓扑结构有可能发生变化吗？物理学家们对此进行了一系列的研究。一九
九二年，著名理论物理学家 S. W. Hawking 证明了这样一个定理 [3]：

[定理] 在广义相对论中，如果空间的拓扑结构在一个有界的区域内发生了变化，那
么在这个变化所发生的时空范围内存在闭合的类时曲线。

不熟悉相对论的朋友可能不知道什么叫做类时曲线。在相对论中类时曲线是物理上可
以实现的运动在时空中的轨迹。一个运动的空间轨迹闭合是十分寻常的事，比如钟摆
的运动，行星的运动，其空间轨迹在适当的参照系中都是 (近似) 闭合的。但一个物
理上可以实现的运动在时空中的轨迹闭合 (即形成所谓 “闭合的类时曲线”) 却是
非同小可的事，因为时空中的轨迹不仅记录了运动所经过的各个空间位置，而且还记
录了经过各空间位置的时刻。因此时空轨迹的闭合意味着不仅在空间上回到原点，而
且在时间上也回到原点！换句话说时间失去了实际意义上的单向性，或者说构造时间
机器成为了可能！

我们都知道自然万物的演化具有明显的不可逆性，最直接的经验莫过于我们的生命本
身，从出生到成长到衰老到死亡，每一步都是那样的无可抗拒，不可逆转。时间的单
向性是物理学乃至整个科学界最基本的观测事实之一。如果时间不是单向的，那么物
理世界中的因果关系也将不复存在，因为一个逆时间而行的旅行者可以在 “结果”
发生后返回过去将产生结果的 “原因” 破坏掉[注二]。

因此 Hawking 所证明的定理可以通俗地描述为：

[定理 (通俗版)] 在广义相对论中，“创造” wormhole 意味着放弃因果律。

如果放弃因果律，那么不仅物理学的大部分将会被改写，连科学本身的存在都将受到
挑战，因为科学本质上就源于人类对自然现象追根溯源的努力，而正是因果律的存在
使得这种努力成为可能。因此依据 Hawking 所证明的上述定理，在有足够的证据表
明因果律可以被破坏之前，我们必须认为改变空间的拓扑结构 (即 “创造” wormhole
) 是被广义相对论所禁止的。

广义相对论是现代物理学中最优美的理论之一，是引力理论和现代时空观念的基石，
但它只是一个经典理论。物理学家们普遍认为关于引力和时空的真正描述就象对宇宙
中其它基本相互作用的描述一样，必须是量子化的。对广义相对论的量子化被称为量
子引力理论。

那么在量子引力理论中情况如何呢？早在量子理论出现之初物理学家就发现许多被经
典理论所禁止的过程在量子理论中会成为可能，比如说电子可以出现在经典理论不允
许出现的区域中。空间拓扑结构的改变会成为这种 “幸运” 的量子过程中的一员吗
？遗憾的是，对这一问题目前还没有明确的答案。引力的量子化是当今理论物理面临
的最困难的问题之一，迄今为止不仅尚未建立完整的理论，连一些基本的出发点也还
在争议之中。在量子引力理论的早期研究中人们曾经认为时空就象海面一样，在大尺
度上看平滑如镜，随着尺度的缩小渐渐显出起伏，当尺度缩小到一定程度时，就可以
看到汹涌的波涛和飞散的泡沫。这个极小的距离尺度被称为 Planck 尺度。在 Planck
尺度上时空的结构会出现剧烈的量子涨落，不仅空间拓扑结构的变化是可能的，甚
至于还会产生所谓的时空泡沫 (spacetime foam)。这种有关量子时空的直观想象在
量子引力理论的具体方案提出后却在各个方案中均遇到了不同程度的困难。初步的分
析表明，量子引力理论并不完全禁止空间拓扑结构的改变，但是 由产生 wormhole
所导致的空间拓扑结构的改变即使在量子引力理论中也极有可能是被禁止 [4][5]。

因此我们可以有保留地认为，就目前人类所了解的物理学规律而言， “创造” wormhole
有可能是连一个无限发达的文明也无法做到的。

五. Wormhole 工程学 - 负能量的困惑

即使 “创造” wormhole 果真是不可能的，一个无限发达的文明仍然可以通过改造
宇宙中已经存在的 wormhole (如果有的话)[注三]，使之成为可穿越 wormhole。这
并不改变空间的拓扑结构，因而不违背任何禁止空间拓扑结构改变的物理学定理。

那么要改造并维持一个可穿越 wormhole 需要什么样的条件呢？

前面提到的 Morris 和 Thorne 的文章就对这个问题进行了定量的分析。他们研究了
维持一个稳定的球对称 wormhole 所需要的物质分布。所谓球对称 wormhole，指的
是 wormhole 的出入口，通常也称为 “嘴巴” (mouth - 见 [图三])，是球对称的
。Morris 和 Thorne 发现，为了维持这样一个 wormhole，在 wormhole 所形成的通
道的最窄处，即所谓的 “喉咙” (throat - 见 [图三]) 部位，必须有负能量物质
的存在！Morris 和 Thorne 的分析虽然对 wormhole 作了球对称这样一个简化假设
，但是运用广义相对论和现代微分几何理论所做的进一步研究表明他们得到的 “维
持 wormhole 需要负能量物质” 的结论却是普遍成立的。

因此想当一名 wormhole 工程师首先必须有负能量物质。那么什么是负能量物质呢？
举一个简单的例子来说，学过 Newton 定律的人都知道，用力推一个箱子，箱子就会
沿推力的方向运动 (假定阻力可以忽略)，推力的大小等于运动的加速度和箱子质量
的乘积。这是大家熟悉的结果[注四]。但是假如把普通的箱子换成 wormhole 工程师
的负能量箱子，那情况就大不相同了，由于负能量箱子的质量小于零，这时加速度和
推力的方向就变得相反了。也就是说你用力去推一个负能量箱子，非但不能把它推开
，箱子反而会朝你滑过来！很显然我们谁也没见过这么古怪的箱子，迄今为止人类在
宏观世界中发现的所有物质都具有正的能量，物质越多，通常能量就越高。按照定义
只有真空的能量才为零，而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质，
这在经典物理中是近乎于自相矛盾的说法。

但是量子理论的发展彻底改变了经典物理学关于真空的观念。在量子理论中，真空不
仅具有极为复杂的结构，而且是高度动态的，每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮
灭。在这种全新的真空图景下负能量的出现至少在概念上就不再是不可思议的了。事
实上早在一九四八年荷兰物理学家 Casimir 就发现真空中两个平行导体板之间会出
现负的能量密度，并由此预言了存在于这样一对导体板之间的一种微弱的相互作用。
后来人们在实验上证实了这种被称为 Casimir 效应的相互作用的存在，从而间接地
为负能量的存在提供了证据。二十世纪七十年代， S. W. Hawking 等物理学家在研
究黑洞的幅射效应时发现在黑洞的事件视界 (event horizon) 附近也会出现负的能
量密度。二十世纪八十年代，物理学家们又发现了所谓的压缩真空 (squeezed vacuum
)，即量子态分布异常的真空，在这种真空的某些区域中同样会出现负的能量密度。

所有这些令人兴奋的研究结果表明宇宙中看来的确是存在负能量物质的。可惜的是上
述所有这些已知的负能量物质都是由量子效应产生的，因而数值十分微弱。以 Casimir
效应为例，其负能量所对应的质量密度大约为：

能量密度 = - 10-44 公斤每立方米 / (以米为单位的平板间距)4

这个结果表明如果平板间距为一米的话，所产生的负能量密度只有 10-44 公斤每立
方米，相当于在每十亿亿立方米的体积内才有相当于一个基本粒子质量的负能量物质
！

其它量子效应产生的负能量密度也大致相仿，只需把平板间距换成那些效应中涉及的
空间尺度即可。由于能量密度和空间尺度的四次方成反比，因此在任何宏观尺度上由
量子效应产生的负能量都是微乎其微的。

另一方面，物理学家们对维持一个可穿越 wormhole 所需要的负能量物质的数量也做
了估算，结果发现：

负能量的数量 (以地球质量为单位) = - (以厘米为单位的 wormhole 半径)

也就是说仅仅为了维持一个半径为一厘米的 wormhole 就需要相当于整个地球质量的
负能量物质！而且 wormhole 的半径越大所需要的负能量物质就越多，为了维持一个
半径为一千米的 wormhole 所需要的负能量物质的数量竟相当于整个太阳系的质量！

这无疑是一个令所有 wormhole 工程师头疼的结果。因为一方面迄今所知的所有产生
负能量物质的效应都是量子效应，所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极
其微小的。而另一方面为了维持任何宏观意义上的 wormhole 所需要的负能量物质的
数量却是一个天文数字！

六. 穿越 wormhole - 张力的挑战

虽然数字看起来不那么乐观，但是别忘了我们是在考虑一个 “Carl Sagan” 式的问
题。我们的想象力已经无数次地低估过人类自身科学技术的发展速度，因此让我们暂
且对来自无限发达文明的 wormhole 工程师的技术水平做一个比较乐观的估计，假定
他们利用某种远不为我们所知的技术手段真的获得了相当于整个太阳系质量的负能量
物质，并成功地建立起了一个半径达一千米的 wormhole。

那么他们是否就可以利用这样的 wormhole 进行星际旅行了呢？

初看起来半径一千米的 wormhole 似乎应当满足星际旅行的要求了，因为一千米的半
径在几何尺度上已经足以让相当规模的星际飞船通过了。看过科幻电影的人可能对星
际飞船穿越 wormhole 的特技处理留有深刻的印象。从屏幕上看，飞船周围充斥着由
来自遥远天际的星光和幅射组成的无限绚丽的视觉幻象，看上去飞船穿越的似乎是时
空中的一条狭小的通道 ([图四])。

但实际情况远比人们想象的复杂。事实上为了能让飞船及其乘员安全地穿越 wormhole
，几何半径的大小并不是星际旅行家所要考虑的主要问题。按照广义相对论，物质在
通过象 wormhole 这样空间结构高度弯曲的区域，尤其是在负能量密集的区域附近，
会遇到的一个十分严重的问题就是张力，即施加在单位面积物质上的力量。由于无论
飞船还是飞船乘员所能承受的张力都是有限的，因此 wormhole 所产生的张力的大小
对于星际旅行来说是至关重要的。以球对称的 wormhole 为例，计算表明在星际飞船
经过 wormhole 的 “喉咙” 时 wormhole 中的负能量物质对飞船和乘员所产生的张
力大小为：

张力 = (物质所能承受的最大张力) / (以光年为单位的 wormhole 半径)2

这里 “物质所能承受的最大张力” 指的是物质中的原子结构所能承受的最大张力。
超越了这一极限，连组成物质的原子都将受到破坏，更遑论宏观物质如飞船或飞船乘
员了。这是一个任何程度的文明都很难突破的物理极限。从这个计算结果中我们看到
穿过 wormhole 的物质所受到的张力和 wormhole 的半径成平方反比， wormhole 的
半径越大，对穿越其中的物质所施加的张力就越小，也就越适合于作为星际旅行的通
道。特别需要看到的是， 半径小于一光年的 wormhole 由于产生的张力超过物质所
能承受张力的理论极限，因而无法作为星际旅行的通道。

虽然以上这些计算都是比较粗略的估算，具体的数值会因 wormhole 的具体结构而有
所不同。但是在数量级的意义上这些计算已经足以使我们看到维持一个可供星际旅行
用的 wormhole 所面临的巨大的 “工程学” 困难：为了能让星际飞船安全通过，wormhole
的半径至少要在一光年以上。前面曾经提到维持一个半径为一千米的 wormhole 所
需要的负能量物质的数量大约相当于整个太阳系的质量，而一光年大约是十万亿千米
，因此维持一个半径为一光年的 wormhole 所需的负能量物质的数量大约相当于太阳
系质量的十万亿倍。 “太阳系质量的十万亿倍” 是个什么概念呢？我们知道整个银
河系中所有发光星体的总质量大约是太阳系质量的一千亿倍，因此维持一个可供星际
旅行用的最小的 wormhole 所需要的负能量物质的数量大约相当于银河系中的所有发
光星体质量总和的一百倍！如果考虑到生物体所能承受的张力要远小于理论极限，对
wormhole 半径的要求将更高，所需的负能量物质的数量也将远大于上述估计值。使
用数量如此惊人的物质，别说这些物质都是迄今尚未在任何宏观尺度上发现的负能量
物质，即便是普通的物质，也是近乎于天方夜谭式的想法。

目前还不清楚存在于微观尺度上的负能量物质是否有可能积累成宏观的数量，如果这
种积累是可能的，那么将一个已经存在的 wormhole 改造成适合星际旅行的 wormhole
在纯理论上是可能的。但是改造和维持这样一个 wormhole 所需的负能量物质的数
量即使从宇宙学尺度上看也是极其惊人的。这种数量对于任何存在于我们这个宇宙中
的文明 - 即使是无限发达的文明 - 来说都是工程学上一个几乎不可逾越的困难。

楼上的居然都扯上了虫洞 pfpf

楼主 意思是量子涨落吧

量子力学里没有不可能 而只有几率的问题，即使是在
一个相对稳定的状态，物体也有一定的几率（虽然可能很小）跃迁到其他状态（虽然在经典物理下可能是禁止的） 从统计的意义上看就出现了涨落

量子涨落嘛！量子就有概率，涨落就是统计的中的方差。表示偏离平均值的程度。

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黄骅市18993063364： 解释一下量子起伏,量子涨落 - ？
智庆三磷： 【1】 “量子涨落:测不准原理允许的虚无空间状态的暂时性变化.量子测不准原理允许从完全全空无一物中间出现少许能量,前提是该能量在很短时间内重归消失(涨落涉及的能量越小,它持续的时间越长)” 【2】 动量p和位置q,它们真正...

黄骅市18993063364： 量子涨落的介绍 - ？
智庆三磷： 不确定性原理允许在全空无一物的空间(纯粹空间)中随机地产生少许能量,前提是该能量在短时间内重归消失.产生的能量越大,则该能量存在的时间越短,反之亦然.当我们测量能量E和时间t时,测得的能量E越准确,那它存在的时间t就越不确定;反之,t知道的越精确,那涨落涉及的能量就越不确定.它们之间的关系遵守一定的原则:△E*△t > h/2π(h是普朗克常数).涨落涉及的能量与它存在的时间之间的乘积总要满足大于 h/2π 这个值.

黄骅市18993063364： 量子涨落是什么意思啊,？
智庆三磷： “量子涨落:测不准原理允许的虚无空间状态的暂时性变化.量子测不准原理允许从完全全空无一物中间出现少许能量,前提是该能量在很短时间内重归消失(涨落涉及的能量越小,它持续的时间越长)” 参考资料:《大宇宙百科全书》(约翰·格里宾);《上帝掷骰子吗——量子物理史话》

黄骅市18993063364： 什么是能量守恒定律?能量守恒定律是什么意思 - ？
智庆三磷： 能量守恒定律:即热力学第一定律是指在一个封闭(孤立)系统的总能量保持不变.其中总能量一般说来已不再只是动能与势能之和,而是静止能量(固有能量)、动能、势能三者的总量. 能量守恒定律可以表述为:一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少.总能量为系统的机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和. 如果一个系统处于孤立环境,即不可能有能量或质量传入或传出系统.对于此情形,能量守恒定律表述为: “孤立系统的总能量保持不变.” 能量既不会凭空产生,也不会凭空消灭,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到其他物体,而能量的总量保持不变.能量守恒定律是自然界普遍的基本定律之一.

黄骅市18993063364： 量子是什么概念 - ？
智庆三磷： 广义相对论认为,没有物质的空间是平直的,微观上的空间应该是光滑的.但是万物都摆脱不了量子力学的不确定性原理所规定的量子涨落——引力场也不例外.虽然经典理论认为虚空间没有引力场,但量子力学证明,引力场尽管在平均意义上...

黄骅市18993063364： 宇宙黑洞有什么 - ？
智庆三磷： 黑洞是一个区域,从黑洞中发出的光所能到达的最远距离就是黑洞最外层的边界,也就是事件视界.掉进黑洞中的物质再也没有任何信息能被我们所观察.在经典的定义中,黑洞是一个极为特殊的区域,我们所观...

黄骅市18993063364： 为什么是量子起伏相同即为相干态? - ？
智庆三磷： 相干态是量子力学中量子谐振子能够达到的一种特殊的量子状态[1].量子谐振子的动力学性能和经典力学中的谐振子很相似.1926年埃尔温·薛定谔在解满足对应原理的薛定谔方程时找到的第一个量子力学解就是相干态[2].在大量物理系统中...

黄骅市18993063364： 宇宙形成初期极小尺度上的量子涨落.什么是量子?这话什么意思? - ？
智庆三磷： 坦率地说,以你现在的物理学知识理解这句话是相当困难的,还需要储备很多知识才能明白它的含义.通俗地说,量子是这样一种物理概念:即物质是不可无限分割的,而是由一种不可继续分割的“一小份”物质构成,这许许多多的“一小份”物质,组成了千姿百态的物质世界,这就是“量子”.量子观念是和连续观念相对立的,连续观念的含义是:物质可以被无限分割下去,不论其有多小,永远能无止境地继续分割.这可以类比数学定义理解:量子就像是整数,它存在最小值1;连续就像是小数,不存在最小值.当然,上述说法都是极不严谨的非科学的解释.之所以这样说是为了方便你理解.加油学习物理知识吧,它会改变你对世界的认识,使你成为一个博学而豁达的人.

黄骅市18993063364： 什么是量子 - ？
智庆三磷： 量子是对微观世界的一种解释,宏观世界对应牛顿力学,而微观世界对应量子力学.当一个原子在能级间跃迁时会释放和吸收能量,但能量不是连续的,而是“一份一份“进行的,这“一份一份“的能量就像原子一样参与能量与物质的交换,称为量子.

黄骅市18993063364： 什么是量子泡沫咋胆? - ？
智庆三磷： 量子泡沫即为诞生前宇宙的概念化.在量子泡沫的普朗克尺度,时空不再是平滑的,许多不同的形状会像泡沫一样随机浮出,又随机消失,这样在微小世界的能量起伏,就是量子涨落.在量子涨落中形成的小通道,就是所谓的虫洞,而这些量子虫洞则又可以连接到周遭众多的起伏泡沫,那些量子泡沫就是幼宇宙.量子泡沫也叫时空泡沫(spacetime foam),是惠勒(John Wheeler)1955年根据量子力学提出的概念,所以又叫惠勒泡沫.