新研究：弗里德曼宇宙中的可穿越虫洞

你可能已经在科幻小说或电影中听说过虫洞，它们是一种假想的时空结构，可以连接宇宙中相距遥远的两个区域或者不同的宇宙。虫洞的概念最早由爱因斯坦和罗森在1935年提出，他们发现了一种解决广义相对论方程的方法，可以得到一种双曲面的几何形状，类似于两个无限长的圆柱体相连。这种解被称为爱因斯坦-罗森桥，或者简称为ER桥。

然而，ER桥并不是一个真正的虫洞，因为它不是可穿越的，也就是说，没有任何物质或信号可以从一个圆柱体的一端到达另一端，甚至光也不行。这是因为ER桥的喉部，也就是两个圆柱体相连的最窄的部分，是一个奇点，那里的时空曲率无限大，物理规律失效。而且，ER桥是不稳定的，一旦有任何微小的扰动，它就会塌缩。

那么，是否存在一种稳定的、可穿越的虫洞呢？这个问题在上个世纪80年代引起了物理学家的兴趣，特别是莫里斯·索恩和基普·索恩提出了一种新的虫洞解，被称为索恩-索恩桥，或者简称为SS桥。SS桥的特点是，它的喉部不是一个奇点，而是一个有限的球形区域，这个区域的物质具有负的能量密度，它违反了正能量条件。负能量的存在使得SS桥的喉部保持打开，从而允许物质或信号通过。

SS桥看起来很有趣，但是它也有一些问题。首先，负能量的存在性是非常有争议的，因为它可能导致一些悖论。其次，SS桥是静态的，也就是说，它不随时间变化，这意味着它必须是一个永恒存在的结构，而不是由某种物理过程产生的。这就引出了一个自然的问题：是否存在一种动态的、可穿越的虫洞，它可以在一个有限的时间内形成和消失，而不需要负能量？

弗里德曼宇宙中的虫洞

为了回答这个问题，我们需要考虑一个更加现实的宇宙模型，而不是一个空的、平坦的时空。一个很自然的选择是弗里德曼宇宙，这是一个由爱因斯坦方程描述的均匀、各向同性的宇宙，它可以包含不同的物质成分，比如尘埃、辐射、暗物质、暗能量等。弗里德曼宇宙是目前宇宙学的标准模型，它可以很好地解释我们的观测数据，比如宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射、大尺度结构等。

弗里德曼宇宙的一个重要特征是，它的几何形状可以是正曲率的、零曲率的或者负曲率的，这取决于宇宙的密度参数，也就是宇宙中的物质密度与临界密度的比值。如果密度参数大于1，那么宇宙是正曲率的，也就是说，它是一个有限的、闭合的球面，类似于地球的表面。如果密度参数等于1，那么宇宙是零曲率的，也就是说，它是一个无限的、平坦的平面，类似于我们平常的直觉。如果密度参数小于1，那么宇宙是负曲率的，也就是说，它是一个无限的、开放的双曲面，类似于马鞍的表面。

那么，弗里德曼宇宙中是否可能存在虫洞呢？这个问题在2023年由布朗尼科夫、卡沙金和苏什科夫三位物理学家进行了研究，他们发现了一种特殊的解，可以在一个闭合的弗里德曼宇宙中产生虫洞。这种解是一个已知的解的一个分支，被称为勒梅特-托尔曼-邦迪（LTB）解，它是爱因斯坦方程的一个球对称的、非均匀的、含有尘埃物质的解。LTB解可以描述一个坍缩的尘埃云，它可以形成一个黑洞或者一个裸奇点。

布朗尼科夫等人发现，如果尘埃云的初始条件满足一定的要求，那么它可以在一个有限的时间内形成一个虫洞，而不是一个黑洞或者一个裸奇点。这个虫洞的喉部是一个有限的球形区域，它的半径随着时间的变化而变化，最终会收缩到零，导致虫洞的消失。这个虫洞的物质满足正能量条件，也就是说，它不需要负能量。

虫洞的性质和影响

弗里德曼宇宙中的虫洞有一些有趣的性质和影响，我们可以用一些简单的物理量来描述它们。一个重要的物理量是虫洞的喉部半径，它决定了虫洞的大小和可穿越性。布朗尼科夫等人发现，虫洞的喉部半径的最大值约为10^−3米，也就是说，它比一个头发丝还要细。这意味着，虽然虫洞是可穿越的，但是只有微观的粒子或波可以通过它，而不是宏观的物体或人类。

另一个重要的物理量是虫洞的寿命，它决定了虫洞的稳定性和持续性。布朗尼科夫等人发现，虫洞的寿命的最大值约为10^−23秒，也就是说，它比一个原子核的振动周期还要短。这意味着，虫洞是非常短暂的，它们在形成后很快就会消失，而不是永久存在的。

虽然弗里德曼宇宙中的虫洞是非常微小和短暂的，但是它们仍然可能对宇宙的演化和结构产生一些影响。一个可能的影响是，虫洞可以作为一种暗物质的候选者，因为它们可以提供一种额外的引力效应，从而影响星系的旋转曲线和宇宙的大尺度结构。另一个可能的影响是，虫洞可以作为一种原初黑洞的形成机制，因为它们可以在宇宙的早期阶段产生高密度的区域，从而促进引力坍缩的发生。