你可能已經在科幻小說或電影中聽說過蟲洞，它們是一種假想的時空結構，可以連接宇宙中相距遙遠的兩個區域或者不同的宇宙。蟲洞的概念最早由愛因斯坦和羅森在1935年提出，他們發現了一種解決廣義相對論方程的方法，可以得到一種雙曲面的幾何形狀，類似于兩個無限長的圓柱體相連。這種解被稱為愛因斯坦-羅森橋，或者簡稱為ER橋。

然而，ER橋并不是一個真正的蟲洞，因為它不是可穿越的，也就是說，沒有任何物質或信號可以從一個圓柱體的一端到達另一端，甚至光也不行。這是因為ER橋的喉部，也就是兩個圓柱體相連的最窄的部分，是一個奇點，那里的時空曲率無限大，物理規律失效。而且，ER橋是不穩定的，一旦有任何微小的擾動，它就會塌縮。

那么，是否存在一種穩定的、可穿越的蟲洞呢？這個問題在上個世紀80年代引起了物理學家的興趣，特別是莫里斯·索恩和基普·索恩提出了一種新的蟲洞解，被稱為索恩-索恩橋，或者簡稱為SS橋。SS橋的特點是，它的喉部不是一個奇點，而是一個有限的球形區域，這個區域的物質具有負的能量密度，它違反了正能量條件。負能量的存在使得SS橋的喉部保持打開，從而允許物質或信號通過。

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SS橋看起來很有趣，但是它也有一些問題。首先，負能量的存在性是非常有爭議的，因為它可能導致一些悖論。其次，SS橋是靜態的，也就是說，它不隨時間變化，這意味著它必須是一個永恒存在的結構，而不是由某種物理過程產生的。這就引出了一個自然的問題：是否存在一種動態的、可穿越的蟲洞，它可以在一個有限的時間內形成和消失，而不需要負能量？

弗里德曼宇宙中的蟲洞

為了回答這個問題，我們需要考慮一個更加現實的宇宙模型，而不是一個空的、平坦的時空。一個很自然的選擇是弗里德曼宇宙，這是一個由愛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成分，比如塵埃、輻射、暗物質、暗能量等。弗里德曼宇宙是目前宇宙學的標準模型，它可以很好地解釋我們的觀測數據，比如宇宙的膨脹、宇宙微波背景輻射、大尺度結構等。

弗里德曼宇宙的一個重要特征是，它的幾何形狀可以是正曲率的、零曲率的或者負曲率的，這取決于宇宙的密度參數，也就是宇宙中的物質密度與臨界密度的比值。如果密度參數大于1，那么宇宙是正曲率的，也就是說，它是一個有限的、閉合的球面，類似于地球的表面。如果密度參數等于1，那么宇宙是零曲率的，也就是說，它是一個無限的、平坦的平面，類似于我們平常的直覺。如果密度參數小于1，那么宇宙是負曲率的，也就是說，它是一個無限的、開放的雙曲面，類似于馬鞍的表面。

那么，弗里德曼宇宙中是否可能存在蟲洞呢？這個問題在2023年由布朗尼科夫、卡沙金和蘇什科夫三位物理學家進行了研究，他們發現了一種特殊的解，可以在一個閉合的弗里德曼宇宙中產生蟲洞。這種解是一個已知的解的一個分支，被稱為勒梅特-托爾曼-邦迪（LTB）解，它是愛因斯坦方程的一個球對稱的、非均勻的、含有塵埃物質的解。LTB解可以描述一個坍縮的塵埃云，它可以形成一個黑洞或者一個裸奇點。

布朗尼科夫等人發現，如果塵埃云的初始條件滿足一定的要求，那么它可以在一個有限的時間內形成一個蟲洞，而不是一個黑洞或者一個裸奇點。這個蟲洞的喉部是一個有限的球形區域，它的半徑隨著時間的變化而變化，最終會收縮到零，導致蟲洞的消失。這個蟲洞的物質滿足正能量條件，也就是說，它不需要負能量。

蟲洞的性質和影響

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

另一個重要的物理量是蟲洞的壽命，它決定了蟲洞的穩定性和持續性。布朗尼科夫等人發現，蟲洞的壽命的最大值約為10^?23秒，也就是說，它比一個原子核的振動周期還要短。這意味著，蟲洞是非常短暫的，它們在形成后很快就會消失，而不是永久存在的。

雖然弗里德曼宇宙中的蟲洞是非常微小和短暫的，但是它們仍然可能對宇宙的演化和結構產生一些影響。一個可能的影響是，蟲洞可以作為一種暗物質的候選者，因為它們可以提供一種額外的引力效應，從而影響星系的旋轉曲線和宇宙的大尺度結構。另一個可能的影響是，蟲洞可以作為一種原初黑洞的形成機制，因為它們可以在宇宙的早期階段產生高密度的區域，從而促進引力坍縮的發生。