十维空间 我们把一个边长为2的正方形划分成4个小正方形，每个小正方形里作一个内切圆，然后在原来的大正方形中间作一个同时外切于这4个圆的小圆（红色标注）。我们把这个小圆叫做“中心圆”。你怎么来求这个中心圆的半径？
仔细观察其中一个小正方形，思路就出来了：红色的中心圆变成了一个90度扇形，它的中心位于单位正方形的一角，并且外切于直径为1的圆。可以看到扇形半径加上圆的半径等于单位正方形对角线的一半，这样我们就得出，中心圆的半径等于(sqrt(2)-1)/2。（sqrt为开根号函数）
对于一个立方体同样如此。我们把立方体切成8个小立方体，得到的8个球体中间夹住的那个中心球半径就应该为(sqrt(3)-1)/2。你会发现一个惊人的事实，在超立方体中，位于16个四维球体间的中心球半径为(sqrt(4)-1)/2 = 1/2，它竟然与那16个小球一样大。真正可怕的事情发生在九维立方体中，此时的九维中心球半径为(sqrt(9)-1)/2 = 1，竟然内切于最初的九维立方体！而到了十维空间后，中心球的直径将超过十维立方体的边长，这个中心球将突破立方体的边界！被围在里面的中心球居然比原来的N维立方体还大，这显然违反了大多数人的直觉；如果你能想象出这个画面来，你就牛B了。科幻小说中把对十维空间的感知能力作为文明发达程度的标准，除了一些相关的宇宙模型外，这可能也是其中一个原因吧
理论来源 超弦理论认为，不存在粒子，只有弦在空间运动，各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。自然界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量，都可以用弦的分裂和结合来解释。
最为奇特的是，弦并不是在平常的三维空间运动，而是在我们无法想象的高维空间运动。我们过去关于空间的观念都是错误的，空间正在以一种陌生得令人惊讶的方式活动着。
多维空间 众所周知，物质是由原子组成，而原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成，质子和中子又由夸克组成。那么，夸克和电子又是由什么构成的呢？科学家发现，夸克和电子都不可再分了，似乎是没有内部结构的点粒子，因此把它们称为基本粒子。基本粒子是一切物质的基本单元，就像英语里的“字母”一样。
但是，已知的基本粒子并不仅仅是夸克和电子两种，而是多达数百种，而且，每一种基本粒子都有它们的反粒子。我们现在把所有的基本粒子分为三大类，通常称为 “族”：轻子族，包括电子、中微子等；夸克族，包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克这六种夸克和各自的反夸克；媒介粒子族，包括光子、胶子等。非常奇怪的是，除了夸克和电子外，大部分基本粒子都不组成更大的物质结构，例如，中微子总是在宇宙中独来独往，不与其它物质发生相互作用；媒介粒子则只在其它粒子间传递力的作用；还有很多粒子像介子、超子等都极不稳定，通常在极短时间内衰变成其它粒子。
我们知道，电子能像地球绕太阳旋转那样绕着原子核运动，但电子能不能也像地球那样进行自转呢？按理说，这是不可能的，因为物体在自转时，其转轴上有一个固定不动的中心点，电子既然是一个点状粒子，那它就不会有什么多余的“中心点”，它的自旋也就无从谈起。但科学家证实，电子仍然像地球那样，既公转，也自转，而且永远地以固定不变的速率旋转，这是电子自身固有的性质，称为“内禀自旋”。而且，所有的基本粒子都有与电子相同的自旋。
然而粒子的自旋与地球自转是不一样的，地球的自转是连续的，粒子的自旋则是间隔性的，也就是说，它的自旋是一跳一跳着进行的。
每一种粒子的所有成员都是相同的，我们不可能把两个电子或者中微子区别开来。而不同种类的粒子则有着明显的不同，其主要区别就在于它们的质量、电荷以及内禀自旋都各不相同。
四种基本力 这些基本粒子性质各不相同的原因是什么？它们为什么在不停地自旋？这些不同的粒子还能不能找到更深层的、统一的内部结构？这些问题长期以来都在困绕着科学家们。
为何有四种力？进一步的问题就是，这么多不同种类的粒子是如何联系在一起的？假如宇宙是由很多微小的、相互间没有关系的物质微粒组成的，它们中的任何一个都是像被“隔离”的，那么，在这样的一个宇宙中，就会既无恒星，又无行星和生命，只是一个寂寞的、完全没有事件发生的微粒集合。
幸运的是，事实并非如此，宇宙中存在着各种类型的力，是它们把散沙般的基本粒子结合在一起，组成了各种各样的物质，并安排了宇宙间的秩序。这些力从本质上都可归结为四种基本力：引力、电磁力、强力和弱力。
这四种力的来源是不一样的。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间就存在引力，物体的质量越大，引力就越大。电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸。如果一个粒子不带电荷，则不受电磁力的影响，不会感受到排斥力和吸引力。强力主要是把夸克结合在一起的力，所以也叫核力。像电磁力一样，也起源于电荷，不过只是夸克间的电荷，物理学家称之为“颜色电荷”。弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。
四种力的相对强度以及作用范围都有着巨大的区别。从相对强度上来说，假定以电磁力的强度为一个单位强度，则强力要比这个单位大出100倍，弱力只有 1/1000，引力小到几乎是可以忽略不计的：在微观世界中，它只有电磁力的10的40次方分之一！从作用范围上来说，引力的作用范围是宇宙范围的；电磁力的作用范围在理论上可以达到无限远，但实际上，大多数物体正负电荷相互抵消，其外部都呈电中性；而强力和弱力的作用范围则极小，只能在粒子范围内发生作用。
这四种强弱悬殊、性质各异的基本力，完全控制了我们的宇宙。
现在问题又来了：为什么有四种基本力？为什么不是五种、三种或者一种？这四种力为什么如此不同？为什么强力和弱力只能在微观尺度上发挥作用，而引力和电磁力却具有无限的作用范围？还有，为什么这些力的固有强度会有那么大的差别？
最后的问题是，所有这些力有没有一个共同的根基？如果有，它们为何又分裂了？
相对论与量子理论的矛盾 四种基本作用力的不同还导致了现代物理学两大支柱——相对论和量子理论——根深蒂固的矛盾。爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论。我们前面说过，引力源于物体质量的相互吸引，物体的质量越大，引力越大。但为什么物体的质量会产生引力呢？引力为什么很微弱却又能在宏观范围内起作用呢？比如说，两个人、两块大石头之间的引力几乎就是零，只有像太阳、地球、月亮这样宇宙中的星体，才有明显的引力作用。
爱因斯坦把这个疑惑给解开了，他给出了一个出人意料却又合乎情理的解答：空间本身是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间应该是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷，这就像一条拉得很平很直的床单上，当放进一个保龄球时，床单就凹陷下去，所谓引力就是因为这样的空间弯曲而导致的。地球在绕着太阳的轨道上运行，是因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”，这就是我们通常所说的太阳对地球的引力作用。两个人、两块大石头之间的引力几乎不存在的原因就是，这么小的质量使空间的弯曲几乎为零。因此，普通物体之间的引力作用是可以忽略不计的。
在这里，引力变成了漂亮的几何图景，引力本身并不存在，它只是空间的几何形变所引起的明显结果。引力的本质就这样被广义相对论圆满地解释了。
但空间的几何形变却解释不了其它三种力，电磁力、强力和弱力似乎都无法通过空间的褶皱来实现。爱因斯坦曾设想，所有的物质都是空间扭结和振动而形成，换句话说，我们看到的周围的一切，从树和云到天上的星星，都可能是一个幻觉，是某种形式的空间褶皱。若这种思想是正确的，另外三种力也必定与引力一样，是空间的几何形变所引起的必然结果，这样，四种力就统一到空间弯曲的几何学中了，空间弯曲的不同方式会造就不同的力。然而，在微观世界里，空间根本就不是平滑的，而是有无数的粒子在剧烈且永不停息地喧嚣，广义相对论的核心原理——光滑的空间几何概念，在这里被破坏殆尽。
对另外三种力的解释需要量子理论来完成。量子理论研究微观世界里基本粒子的行为，在这个理论体系中，宇宙中所有的物质最终由数百种不同的基本粒子组成，由于质量小到几近于零，这些粒子的运动轨迹变化莫测，毫无规律可循。在这里，力是由粒子的交换而来的，电磁力是由光子交换而来，弱力是由弱规范玻色子交换而来，强力是由胶子交换而来。例如，两个带电粒子间的相互作用实际上是光子在两个粒子间往来“出没”的结果，两个带电粒子通过交换小小的光子而相互影响，这个过程有点儿像两个溜冰的人在传球，通过传球，两个人的运动状态都在受到影响。其它两种力的相互作用也是如此。
但是，因空间弯曲所导致的引力是无法通过粒子交换而来的，而且，在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总是在杂乱无章地运动，它们之间的引力从何谈起？因此，量子理论无法涵盖引力。
广义相对论与量子理论不能统一，成为现代物理学最核心的灾难。人们很难相信，在宇宙的微观层面和宏观层面，居然不是一个统一连贯的整体，我们对宇宙最深处的认识居然是由两个分裂的理论拼接起来的。为了能让两个理论协调起来，物理学家做过大量的尝试，他们以这样那样的方法，要么修正广义相对论，要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人，但结果却一个跟着一个失败。
终于，超弦理论来了。
粒子与弦 一连串的疑惑不得不使科学家认真考虑：也许在基本粒子内部存在一种更深层的结构，这种结构尚未被我们所理解。自20世纪60年代以来，在科学家孜孜不倦地努力下，一个新的理论逐渐浮出水面，这就是超弦理论。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称为“弦”。
拨动吉他一根弦，你会听到一个音。拨动另一根弦，你会听到另一个不同的音调，因为不同的弦振动的模式不同。一个音乐家通过一个吉他的六弦合奏，使这些弦在不同频率振动，便可创造出无数美妙的音乐。像琴弦的不同振动模式弹出不同的乐音那样，粒子内部的弦也有不同的振动模式，只不过这种弦的振动不是产生什么音乐，而是产生一个个粒子。不同粒子的性质由弦的不同振动行为来决定，电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。
弦与粒子质量的关联是很容易理解的。弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。这也是我们熟悉的现象：当我们用力拨动琴弦时，振动会很剧烈；轻轻拨动它时，振动会很轻柔。而依据爱因斯坦的质能原理，能量和质量像一枚硬币的两面，是同一事物的不同表现：大能量意味着大质量，小能量意味着小质量。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，反之，振动较轻柔的粒子则质量较小。
依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同的振动模式。每个基本粒子都由一根弦组成，而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上是在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。
在量子理论中，每一个粒子还具有波的特性，这就是波粒二象性。现在我们明白了，粒子的波动性就是由弦的振动产生的。以前，我们想象所有的物质粒子都是点状的东西，没有空间大小。但现在我们明白了，那一个个点粒子其实并不是一个个实体的点，而是包含有一片片更微小的空间结构，这样的空间结构的振动乍看起来像是一个个点，是因为我们目前还没有更精微的探测技术。
物理学家还发现，弦的振动模式与粒子的引力作用之间存在着直接的联系。同样的关联也存于弦振动模式与其它力的性质之间，一根弦所携带的电磁力、弱力和强力也完全由它的振动模式决定。
弦如何运动？弦本身很简单，只是一根极微小的线，弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开像头发（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。例如，一根开弦可以分裂成两根小的开弦；也可以形成一根开弦和一根闭弦；一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦；两根弦碰撞可以产生两个新的弦。
但是当一根弦在时空中移动时，它就没那么简单了。弦的运动是如此的复杂，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动（十维空间是数学方程计算的结果）。就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须在三维空间中完成一样。
点粒子内部的空间不是三维的，可能还有很多维，这似乎非常不可思议，不过，认真想起来，高维空间的存在完全是合理的。为了看清这一点，我们可以举一个水管的例子。我们知道，水管的表面是二维的，但是当我们从远处看它时，它却像是一维的直线。这是为什么呢？原来，水管的那两维很不一样，沿着管子伸展方向的一维很长，容易看到；而容易绕着管子的那一个圆圈维很短，“卷缩起来了”，不容易发现。你必须走近水管，才能看清绕着圆圈的那一维。
这个例子表明了空间维度的一个微妙而又重要的特征：空间维有两种。它可能很大延伸得很远，能直接显露出来；它也可能很小，卷缩了，很难看出来。水管比较粗大，绕着管子的那一维很容易就看到。假如管子很细——像一根头发丝或毛细管那样细，要看那卷缩的维可就不那么容易了。
在最微小的尺度上，科学家业已证明，我们宇宙的空间结构既有延展的维，也有卷缩的维。就是说，我们的宇宙有像水管在水平方向延伸的、大的、容易看到的维 ——我们寻常经历的三维，也有像水管在横向上的圆圈那样的卷缩的维——这些多余的维紧紧卷缩在一个微小的空间，即使用我们最精密的仪器也根本不能探测它们。
那些看不见的维可能会有多小呢？我们最先进的仪器能探测到百亿亿分之一米的结构，如果那些维度卷缩得比这个尺度还小，我们就看不见了。科学家的计算表明，卷缩的维可能小到普朗克长度（即10^-33厘米），是目前的实验远远不可能达到的。
为什么需要多维空间？ 理解了宇宙的空间有更多维存在，再回过来看相对论与量子理论是如何产生矛盾的，我们就很容易理解了：这两个理论在日常的三维空间里是不可能统一的，它们的矛盾是必然的，只有在高维空间里才能得到统一。
理论验证 为了更好地理解这一点，我们可以举一个三维世界和二维世界的例子。我们首先假设有一些生活在二维平面世界的生命，它们的世界里只有
长和宽，根本无法理解第三维——“高”这一维。因此，它们对三维世界的感知只限于三维物体在平面世界的投影，或者三维物体与平面世界的接触面，试想一想，一个平面生命怎么能够通过投影来想象三维物体的丰富性和完整性呢？当三维物体与平面世界接触时，三维物体在平面世界上的零碎片段，比如一张桌子的四根脚柱、人印在地面上的两双鞋印，更让平面生命摸不着头脑——这些拼不到一起的碎片究竟意味着什么呢？它们不能想象，四片互不相连的印迹怎么会构成一张完整的桌子呢？那断断续续的鞋印上怎么会有一双完整的鞋呢？而且，鞋的上面竟然还有一个更加完整的人！用二维的眼光来打量这些碎片，你永远不可能将它们拼成一个整体。
于是有一天，一个足智多谋的平面生命偶然想出一个绝妙的主意。它宣布，平面世界之外还有一个“向上”的第三维，如果顺着这些碎片“向上”看，其实碎片是一个完整的整体！这真是个惊人的见解，大多数平面生命都困惑不解。
相对论和量子理论的遭遇与这种情况非常相似，在我们的三维空间里，它们就像两块互不相干的碎片，永远也拼合不到一起。但把空间“向上”抬一抬，把宇宙变为十维空间，相对论和量子理论这两块看似互不相干的碎片就会令人震惊地结合得天衣无缝，成为一个更完整的理论大厦的两根互相依存的支柱！虽然我们在三维空间中无法想象和描述一个多维的空间，但我们却能通过复杂的数学方程推导出它的存在。
多维空间如何裂开？ 在宇宙的极早期，它诞生的10-43秒内，它的直径仅有1.6x10的-36次方厘米，含有丰富的十维空间，所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那样的空间中，宇宙的能量极高、温度极高，所有四种力都融为一体，相对论和量子理论可以归结为一个理论。
但是，这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的，就像胀气太多的气球，于是大爆炸发生了。维度被解散、能量发散、温度降低。三维的空间和一维的时间无限延伸开来，逐渐形成了我们今天可感知的宇宙；而另外六维的空间则仍然卷缩在普朗克尺度（等于1.6x10的-35次方毫米，，即1.6x10的-36次方厘米，是一个质子大小的10的22次方分之一。）以内。
当宇宙处在1032K这样极高的温度（这温度比我们得到的太阳的温度高1026倍）时，引力与其他大统一力分离开来，引力随着宇宙的膨胀而不断延伸成长程力，。随着宇宙进一步胀大和冷却，其它三种力也开始破裂，强相互作用力和弱—电力剥离开来。
当宇宙产生10-9秒之后，它的温度降低到了1015K，这时弱—电力破缺为电磁力和弱相互作用力。在这一温度，所有四种力都已相互分离，宇宙成了由自由夸克、轻子和光子组成的一锅“汤”。稍后，随着宇宙进一步冷却，夸克组合成质子和中子。它们最终形成原子核。在宇宙产生3分钟后，稳定的原子核开始形成。
当大爆炸发生30万年后，最早的原子问世。宇宙的温度降至3000K，氢原子可以形成，其不至于由碰撞而破裂。此时，宇宙终于变得透明，光可以传播数光年而不被吸收。
在大爆炸发生100至200亿年后的今天，宇宙惊人的不对称，破缺致使四种力彼此间有惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却至3K，这已接近绝对零度。
这就是宇宙的演变史，随着宇宙的渐渐冷却，力将解除相互的纠缠，逐步分离出来。首先引力破裂出来，然后强相互作用力，接着弱力，最后只有电磁力保持不破缺。
空间中的裂缝 超弦理论还给我们带来一个更加令人震惊的结果：我们的空间结构居然是离散的，而不是连续的！在我们的日常经验中，空间和时间总是无限可分的，但事实却大谬不然。空间和时间都有自己的最小值：空间的最小尺度为1.6x10的-36次方厘米，时间的最小值是10-43秒。因为当空间小到1.6x10的-36次方厘米后，时间和空间就会融为一体，空间维度就会高达十维，在这样的情况下，即使空间还能分割，那也是我们目前所不能了解的了。
事实上，量子理论就是关于“离散的量”理论，“量子”一词的含意就是“一个量”或“一个离散的量”。早在1900年，量子理论刚诞生时，科学家们就发现，在微小的粒子世界，能量是一份一份发出的，而不是连续发出的。就像人民币的最小单位是“分”，乒乓球只能一个一个地买，而不能半个半个地买，这些都是日常生活中关于事物不可无限分割的例子。
虽然当时科学家已经知道了粒子能量的不连续性，但他们却不知道为何有这种不连续性，只是被迫接受而已。但现在我们都知道了，这与空间的不连续性密切相关。正是由于空间有最小的、不可分割的单位，才会影响到基本粒子的能量发射方式。
现在，我们基于时间和空间是连续的旧理论必须被抛弃，在普朗克尺度下，弦是一段一段的，开弦就是一段线，闭弦就是一个圆圈，每一个弦片携带的都是一份一份的动量和能量。
空间具有一个最小的、不可分割的值，这个不可思议的现象会导致什么样的结果呢？我们很容易想到：我们宏观的空间结构是由一份份最小的空间包组合起来，在这一份份的空间包中间，极有可能存在着我们无法探测的空间裂缝！所谓“虫洞理论”中在空间中凿开一个洞口的设想，从理论上来说真的是可行的，这就是寻找相邻空间包之间的裂缝，然后用难以想象的高能量轰开这个裂缝，一个虫洞就出现了！可以说，小小的十维空间包以及它们之间的裂缝存在于我们空间的每一个角落，只要我们有足够的能量，我们可以在任何地方凿开一个虫洞。
“虫洞”理论
由阿尔伯特·爱因斯坦提出该理论。简单地说，“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。暗物质维持着虫洞出口的敞开。虫洞可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。虫洞也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，所以也叫"灰道"。
发展历史
初期研究 早在20世纪50年代，已有科学家对“虫洞”作过研究，由于当时历史条件所限，一些物理学家认为，理论上也许可以使用“虫洞”，但“虫洞”的引力过大，会毁灭所有进入的东西，因此不可能用在宇宙航行上。
负质量作用 随着科学技术的发展，新的研究发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”能存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。
据美
国华盛顿大学物理系研究人员的计算，“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。
宇航学家认为，“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报，不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。
据科学家猜测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万公里的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。
科学家指出，如果把“负质量”传送到“虫洞”中，把“虫洞”打开，并强化它的结构，使其稳定，就可以使太空飞船通过。概念的确定
虫洞的概念最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候，通过一个阿尔伯特•爱因斯坦的思想实验，发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径，也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉,它就是一种特定的虫洞。
自从在史瓦西解中发现了虫洞，物理学家们就开始对虫洞的性质发生了兴趣。
虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质。在这里，虫洞成为一个阿尔伯特•爱因斯坦—罗森桥，物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即阿尔伯特•爱因斯坦—罗森桥）被传送到白洞并且被辐射出去。
虫洞还可以在宇宙的正常时空中显现，成为一个突然出现的超时空管道。
虫洞没有视界，它只有一个和外界的分界面，虫洞通过这个分界面进行超时空连接。虫洞与黑洞、白洞的接口是一个时空管道和两个时空闭合区的连接，在这里时空曲率并不是无限大，因而我们可以安全地通过虫洞，而不被巨大的引力摧毁。
黑洞、白洞、虫洞仍然是目前宇宙学中“时空与引力篇章”的悬而未解之谜。黑洞是否真实存在，科学家们也只是得到了一些间接的旁证。当前的观测及理论也给天文学和物理学提出了许多新问题，例如，一颗能形成黑洞的冷恒星，当它坍缩时，其密度已然会超过原子核、核子、中子……，如果再继续坍缩下去，中子也可能被压碎。那么，黑洞中的物质基元究竟是什么呢？有什么斥力与引力对抗才使黑洞停留在某一阶段而不再继续坍缩呢？如果没有斥力，那么黑洞将无限地坍缩下去，直到体积无穷小，密度无穷大，内部压力也无穷大，而这却是物理学理论所不允许的。
总之，目前我们对黑洞、白洞和虫洞的本质了解还很少，它们还是神秘的东西，很多问题仍需要进一步探讨。目前天文学家已经间接地找到了黑洞，但白洞、虫洞并未真正发现，还只是一个经常出现在科幻作品中的理论名词。
虫洞也是霍金构想的宇宙期存在的一种极细微的洞穴。美国科学家对此做了深入的研究。目前的宇宙中，“宇宙项”几乎为零。所谓的宇宙项也称为“真空的能量”，在没有物质的空间中，能量也同样存在其内部，这是由爱因斯坦所导入的。宇宙初期的膨胀宇宙，宇宙项是必须的，而且，在基本粒子论里，也认为真空中的能量是自然呈现的。那么，为何目前宇宙的宇宙项变为零呢？柯尔曼说明：在爆炸以前的初期宇宙中，虫洞连接着很多的宇宙，很巧妙地将宇宙项的大小调整为零。结果，由一个宇宙可能产生另一个宇宙，而且，宇宙中也有可能有无数个这种微细的洞穴，它们可通往一个宇宙的过去及未来，或其他的宇宙。
旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞，你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。
最后，即使虫洞存在并且是稳定的，穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射（来自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫洞时，你将被这些X射线和伽玛射线烤焦。虫洞的出现，几乎可以说是和黑洞同时的。
物理学家一直认为，虫洞的引力过大，会毁灭所有进入它的东西，因此不可能用在宇宙旅行之上 。但是，假设宇宙中有虫洞这种物质存在，那么就可以有一种说法：如果你于12：00站在虫洞的一端（入口），那你就会于12：00从虫洞的另一端（出口）出来。 黑洞和黑洞之间也可以通过虫洞连接，当然，这种连接无论是如何的加强，它还是仅仅是一个连通的“宇宙监狱”。
虫洞性质
利用相对论在不考虑一些量子效应和除引力以外的任何能量的时候，我们得到了一些十分简单、基本的关于虫洞的描述。
虫洞的存在，依赖于一种奇异的性质和物质，而这种奇异的性质，就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在，保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然，狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上，发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者难地来分析物理问题。同样的，负能量在狄拉克的另一个参照系中，是非常容易实现的，因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同，负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候，在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞，而速度离光速太大，那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。
但是虫洞并没有这么太平。前面说的是在安静的相对论中的虫洞，在暴躁的量子理论中，虫洞的性质又有了十分重要的变化。
我们先来看在黑洞中的虫洞，也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。
黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下，会被黑洞的引力能“喂”大，成为十分的能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫洞摧毁。
在没有黑洞包围的虫洞中，由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”，虫洞本身也不可能开启太久。虫洞有很大几率被随机打开，但是有更大的几率突然消失。虫洞打开的时间十分短，仅仅是几个普朗克时间。
而且，在没有物体通过虫洞的时候，虫洞还比较“长寿”，而一旦有物体进入了虫洞，如果这个物体是负能量的，那么还好，虫洞会被撑开；但是如果物体是正能量的，那么虫洞会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中，几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落，而这些辐射都是正能量的，因此几乎可以肯定，在自然情况下是不存在虫洞的。
旋转的或带有电荷的黑洞内部连接一个相应的白洞，你可以跳进黑洞而从白洞中跳出来。这样的黑洞和白洞的组合叫做虫洞。
白洞有可能离黑洞十分远；实际上它甚至有可能在一个“不同的宇宙”--那就是，一个时空区域，除了虫洞本身，完全和我们在的区域没有连接。一个位置方便的虫洞会给我们一个方便和快捷的方法去旅行很长一段距离，甚至旅行到另一个宇宙。或许虫洞的出口停在过去，这样你可以通过它而逆着时间旅行。总的来说，它们听起来很酷。
但在你认定那个理论正确而打算去寻找它们之前，你因该知道两件事。首先，虫洞几乎可以肯定不存在。正如我们上面我们说到白洞时，只因为它们是方程组有效的数学解并不表明它们在自然中存在。特别的，当黑洞由普通物质坍塌形成（包括我们认为存在的所有黑洞）并不会形成虫洞。如果你掉进其中的一个，你并不会从什么地方跳出来。你会撞到奇点，那是你唯一可去的地方。
还有，即使形成了一个虫洞，它也被认为是不稳定的。即使是很小的扰动（包括你尝试穿过它的扰动）都会导致它坍塌。
最后，即使虫洞存在并且是稳定的，穿过它们也是十分不愉快的。贯穿虫洞的辐射（来自附近的恒星，宇宙的微波背景等等）将蓝移到非常高的频率。当你试着穿越虫洞时，你将被这些X射线和伽玛射线烤焦。虫洞的出现，几乎可以说是和黑洞同时的。
虫洞的存在，依赖于一种奇异的性质和物质，而这种奇异的性质，就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在，保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。
根据参照系的不同，负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候，在虫洞的周围的能量自然就成为了负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞，而速度离光速太大，那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。
我们先来看在黑洞中的虫洞，也就是史瓦西喉和奇点周围形成的子宇宙。
黑洞周围的量子真空涨落在黑洞巨大引力的作用下，会被黑洞的引力能“喂”大，成为十分的能量辐射。这种能量会毫不留情地将一切形式的虫洞摧毁。
在没有黑洞包围的虫洞中，由于同样的没有黑洞巨大引力的“喂养”，虫洞本身也不可能开启太久。虫洞有很大几率被随机打开，但是有更大的几率突然消失。虫洞打开的时间十分短，仅仅是几个普朗克时间。在如此短的“寿命”中，即使是光也不可能走完虫洞的一半旅途，而在半路由于虫洞的消失而在整个时空中消失，成为真正的四维时空组旅行者。
而且，在没有物体通过虫洞的时候，虫洞还比较“长寿”，而一旦有物体进入了虫洞，如果这个物体是负能量的，那么还好，虫洞会被撑开；但是如果物体是正能量的，那么虫洞会在自己“自然死亡”以前就“灭亡”掉。而在宇宙中，几乎无时无刻不存在能量辐射通过宇宙的每一个角落，而这些辐射都是正能量的，因此几乎可以肯定，在自然情况下是不存在虫洞的。
虫洞理论
虫洞有几种说法
一是空间的隧道，就像一个球，你要沿球面走就远了但如果你走的是球里的一条直径就近了，虫洞就是直径 二是黑洞与白洞的联系。黑洞可以产生一个势阱，白洞则可以产生一个反势阱。宇宙是三维的，将势阱看作第四维，那么虫洞就是连接势阱和反势阱的第五维。假如画出宇宙、势阱、反势阱和虫洞的图像，它就像一个克莱因瓶——瓶口是黑洞，瓶身和瓶颈的交界处是白洞，瓶颈是虫洞。
自然生产机制
虫洞的自然产生机制有两种：
其一，是黑洞的强大引力能；
其二，是克尔黑洞的快速旋转，其伦斯——梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿，成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下，可以确定它们的出口在那里，但是现在还不可能完全完成，因为量子理论和相对论还没有完全结合。
负能量
在物理学中人们通常把真空的能量定为零。 所谓真空就是一无所有， 而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质， 这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。
但是许多经典物理学做不到的事情在二十世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。 负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。 在量子理论中， 真空不再是一无所有， 它具有极为复杂的结构， 每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。 一九四八年， 荷兰物理学家卡什米尔 (Hendrik Casimir) 研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态， 结果发现它们比普通的真空具有更少的能量， 这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度！ 在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。 他的这一发现被称为卡什米尔效应。 将近半个世纪后的一九九七年， 物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用， 从而间接地为负能量的存在提供了证据。 除了卡什米尔效应外， 二十世纪七八十年代以来， 物理学家在其它一些研究领域也先后发现了负能量的存在。
因此， 种种令人兴奋的研究都表明， 宇宙中看来的确是存在负能量物质的。 但不幸的是， 迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的， 因而数量极其微小。 以卡什米尔效应为例， 倘若平行板的间距为一米， 它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个 (负质量的) 基本粒子！ 而且间距越大负能量的密度就越小。 其它量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。 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虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算， 结果发现虫洞的半径越大， 所需要的负能量物质就越多。 具体地说， 为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。
如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望， 那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。 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。 另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字！ 这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。
按照广义相对论， 物质在通过象虫洞这样空间结构高度弯曲的区域， 会遇到一个十分棘手的问题， 那就是张力。 这是由于引力场在空间各处的分布不均匀所造成的， 它的一种大家熟悉的表现形式就是海洋中的潮汐。 由于这种张力的作用， 当星际飞船接近虫洞的时候， 飞船上的乘员会渐渐感觉到自己的身体在沿虫洞的方向上有被拉伸的感觉， 而在与之垂直的方向上则有被挤压的感觉。 这种感觉便是由虫洞引力场的不均匀造成的。 一开始， 这种张力只是使人稍有不适而已， 但随着飞船与虫洞的接近， 这种张力会迅速增加， 距离每缩小到十分一， 这种张力就会增加约一千倍。 当飞船距离虫洞还有一千公里的时候， 这种张力已经超出了人体所能承受的极限， 如果飞船到这时还不赶紧折回的话， 所有的乘员都将在致命的张力作用下丧命。 再往前飞一段距离， 飞船本身将在可怕的张力作用下解体， 而最终， 疯狂增加的张力将把已经成为碎片的飞船及乘员撕成一长串亚原子粒子。 从虫洞另一端飞出的就是这一长串早已无法分辨来源的亚原子粒子！
计算表明， 半径小于一光年的虫洞对飞船及乘员产生的张力足以破坏物质的原子结构， 这是任何坚固的飞船都无法经受的， 更遑论脆弱的飞船乘员了。 因此， 一个虫洞要成为可穿越虫洞， 其半径必须远远大于一光年。
一光年是个什么概念呢？ 它相当于整个太阳系半径 (以冥王星轨道为界) 的一千五百多倍。 如果用地球的线度来衡量的话， 它大约是地球直径的七亿倍。
一光年用日常的距离来衡量虽然是一个巨大的线度， 用星际的距离来衡量， 却也不算惊人。 我们所在的银河系的线度大约是它的十万倍， 假如在银河系与两百二十万光年外的仙女座大星云之间存在一个虫洞的话， 从线度上讲它只不过是一个非常细小的通道。 那么会不会在我们周围的星际空间中真的存在这样的通道， 只不过还未被我们发现呢？ 答案是否定的。 因为半径为一光年的虫洞真正惊人的地方不在于它的线度， 而在于维持它所需的负能量物质的数量。 计算表明， 维持这样一个虫洞所需的负能量物质的数量相当于整个银河系中所有发光星体质量总和的一百倍！ 这样的虫洞产生的引力效应将远比整个银河系的引力效应更为显著， 如果在我们附近的星际空间中存在这种虫洞的话， 周围几百万光年内的物质运动都将受到显著的影响， 我们早就从它的引力场中发现其踪迹了。
因此不仅在地球上不可能建造可穿越虫洞， 在我们附近的整个星际空间中都几乎不可能存在可穿越虫洞而未被发现。
迄今为止， 人类从未在任何宏观尺度上发现过负能量物质， 所有产生负能量物质的实验方法利用的都是微弱的量子效应。 为了能够维持一个可穿越虫洞， 必须存在某种机制把量子效应所产生的微弱的负能量物质汇集起来， 达到足够的数量。 但是负能量物质可以被汇聚起来吗？ 最近十几年来物理学家们在这方面做了一些理论研究， 结果表明由量子效应产生的负能量物质是不可能无限制地加以汇聚的。 负能量物质汇聚得越多， 它所能够存在的时间就会越短。 因此一个虫洞没有负能量物质是不稳定的， 负能量物质太多了也会不稳定！ 那么到底什么样的虫洞才能够稳定的呢？ 初步的计算表明， 只有线度比原子的线度还要小二十几个数量级的虫洞才是稳定的！
这一系列结果无疑是非常冷酷的， 如果这些结果成立的话， 存在可穿越虫洞的可能性就基本上被排除了， 所有那些美丽的科幻故事也就都成了镜花水月。 不过幸运 (或不幸) 的是， 上面所叙述的许多结果依据的是目前还比较前沿 - 因而相对来说也还比较不成熟 - 的物理理论。 未来的研究是否会从根本上动摇这些理论， 从而完全推翻我们上面介绍的许多结果， 还是一个未知数。 退一步讲， 即使那些物理理论基本成立， 上面所叙述的许多结果也只是从那些理论推出的近似结果或特例。 比方说， 许多结果假定了虫洞是球对称的， 而实际上虫洞完全可以是其它形状的， 不同形状的虫洞所要求的负能量物质的数量， 所产生张力的大小都是不同的。 所有这些都表明即使那些物理理论真的成立， 我们上面提到的结论也不见得是完全打开它的方法就是共鸣利用物质间相互吸引原理使两时空虫洞正反两种物质能量互相吸引从而打开它。
無隨意
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