你可能已經(jīng)在科幻小說(shuō)或電影中聽(tīng)說(shuō)過(guò)蟲(chóng)洞，它們是一種假想的時(shí)空結(jié)構(gòu)，可以連接宇宙中相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)區(qū)域或者不同的宇宙。蟲(chóng)洞的概念最早由愛(ài)因斯坦和羅森在1935年提出，他們發(fā)現(xiàn)了一種解決廣義相對(duì)論方程的方法，可以得到一種雙曲面的幾何形狀，類(lèi)似于兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的圓柱體相連。這種解被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦-羅森橋，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為ER橋。

然而，ER橋并不是一個(gè)真正的蟲(chóng)洞，因?yàn)樗皇强纱┰降模簿褪钦f(shuō)，沒(méi)有任何物質(zhì)或信號(hào)可以從一個(gè)圓柱體的一端到達(dá)另一端，甚至光也不行。這是因?yàn)镋R橋的喉部，也就是兩個(gè)圓柱體相連的最窄的部分，是一個(gè)奇點(diǎn)，那里的時(shí)空曲率無(wú)限大，物理規(guī)律失效。而且，ER橋是不穩(wěn)定的，一旦有任何微小的擾動(dòng)，它就會(huì)塌縮。

那么，是否存在一種穩(wěn)定的、可穿越的蟲(chóng)洞呢？這個(gè)問(wèn)題在上個(gè)世紀(jì)80年代引起了物理學(xué)家的興趣，特別是莫里斯·索恩和基普·索恩提出了一種新的蟲(chóng)洞解，被稱(chēng)為索恩-索恩橋，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為SS橋。SS橋的特點(diǎn)是，它的喉部不是一個(gè)奇點(diǎn)，而是一個(gè)有限的球形區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的物質(zhì)具有負(fù)的能量密度，它違反了正能量條件。負(fù)能量的存在使得SS橋的喉部保持打開(kāi)，從而允許物質(zhì)或信號(hào)通過(guò)。

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SS橋看起來(lái)很有趣，但是它也有一些問(wèn)題。首先，負(fù)能量的存在性是非常有爭(zhēng)議的，因?yàn)樗赡軐?dǎo)致一些悖論。其次，SS橋是靜態(tài)的，也就是說(shuō)，它不隨時(shí)間變化，這意味著它必須是一個(gè)永恒存在的結(jié)構(gòu)，而不是由某種物理過(guò)程產(chǎn)生的。這就引出了一個(gè)自然的問(wèn)題：是否存在一種動(dòng)態(tài)的、可穿越的蟲(chóng)洞，它可以在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)形成和消失，而不需要負(fù)能量？

弗里德曼宇宙中的蟲(chóng)洞

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要考慮一個(gè)更加現(xiàn)實(shí)的宇宙模型，而不是一個(gè)空的、平坦的時(shí)空。一個(gè)很自然的選擇是弗里德曼宇宙，這是一個(gè)由愛(ài)因斯坦方程描述的均勻、各向同性的宇宙，它可以包含不同的物質(zhì)成分，比如塵埃、輻射、暗物質(zhì)、暗能量等。弗里德曼宇宙是目前宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，它可以很好地解釋我們的觀測(cè)數(shù)據(jù)，比如宇宙的膨脹、宇宙微波背景輻射、大尺度結(jié)構(gòu)等。

弗里德曼宇宙的一個(gè)重要特征是，它的幾何形狀可以是正曲率的、零曲率的或者負(fù)曲率的，這取決于宇宙的密度參數(shù)，也就是宇宙中的物質(zhì)密度與臨界密度的比值。如果密度參數(shù)大于1，那么宇宙是正曲率的，也就是說(shuō)，它是一個(gè)有限的、閉合的球面，類(lèi)似于地球的表面。如果密度參數(shù)等于1，那么宇宙是零曲率的，也就是說(shuō)，它是一個(gè)無(wú)限的、平坦的平面，類(lèi)似于我們平常的直覺(jué)。如果密度參數(shù)小于1，那么宇宙是負(fù)曲率的，也就是說(shuō)，它是一個(gè)無(wú)限的、開(kāi)放的雙曲面，類(lèi)似于馬鞍的表面。

那么，弗里德曼宇宙中是否可能存在蟲(chóng)洞呢？這個(gè)問(wèn)題在2023年由布朗尼科夫、卡沙金和蘇什科夫三位物理學(xué)家進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)了一種特殊的解，可以在一個(gè)閉合的弗里德曼宇宙中產(chǎn)生蟲(chóng)洞。這種解是一個(gè)已知的解的一個(gè)分支，被稱(chēng)為勒梅特-托爾曼-邦迪（LTB）解，它是愛(ài)因斯坦方程的一個(gè)球?qū)ΨQ(chēng)的、非均勻的、含有塵埃物質(zhì)的解。LTB解可以描述一個(gè)坍縮的塵埃云，它可以形成一個(gè)黑洞或者一個(gè)裸奇點(diǎn)。

布朗尼科夫等人發(fā)現(xiàn)，如果塵埃云的初始條件滿(mǎn)足一定的要求，那么它可以在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)蟲(chóng)洞，而不是一個(gè)黑洞或者一個(gè)裸奇點(diǎn)。這個(gè)蟲(chóng)洞的喉部是一個(gè)有限的球形區(qū)域，它的半徑隨著時(shí)間的變化而變化，最終會(huì)收縮到零，導(dǎo)致蟲(chóng)洞的消失。這個(gè)蟲(chóng)洞的物質(zhì)滿(mǎn)足正能量條件，也就是說(shuō)，它不需要負(fù)能量。

蟲(chóng)洞的性質(zhì)和影響

弗里德曼宇宙中的蟲(chóng)洞有一些有趣的性質(zhì)和影響，我們可以用一些簡(jiǎn)單的物理量來(lái)描述它們。一個(gè)重要的物理量是蟲(chóng)洞的喉部半徑，它決定了蟲(chóng)洞的大小和可穿越性。布朗尼科夫等人發(fā)現(xiàn)，蟲(chóng)洞的喉部半徑的最大值約為10^?3米，也就是說(shuō)，它比一個(gè)頭發(fā)絲還要細(xì)。這意味著，雖然蟲(chóng)洞是可穿越的，但是只有微觀的粒子或波可以通過(guò)它，而不是宏觀的物體或人類(lèi)。

另一個(gè)重要的物理量是蟲(chóng)洞的壽命，它決定了蟲(chóng)洞的穩(wěn)定性和持續(xù)性。布朗尼科夫等人發(fā)現(xiàn)，蟲(chóng)洞的壽命的最大值約為10^?23秒，也就是說(shuō)，它比一個(gè)原子核的振動(dòng)周期還要短。這意味著，蟲(chóng)洞是非常短暫的，它們?cè)谛纬珊蠛芸炀蜁?huì)消失，而不是永久存在的。

雖然弗里德曼宇宙中的蟲(chóng)洞是非常微小和短暫的，但是它們?nèi)匀豢赡軐?duì)宇宙的演化和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些影響。一個(gè)可能的影響是，蟲(chóng)洞可以作為一種暗物質(zhì)的候選者，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁┮环N額外的引力效應(yīng)，從而影響星系的旋轉(zhuǎn)曲線和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。另一個(gè)可能的影響是，蟲(chóng)洞可以作為一種原初黑洞的形成機(jī)制，因?yàn)樗鼈兛梢栽谟钪娴脑缙陔A段產(chǎn)生高密度的區(qū)域，從而促進(jìn)引力坍縮的發(fā)生。