宇宙弦+黑洞，搭建可以穿越的虫洞

广义相对论预言的一种奇怪结构——虫洞，是连接两个在时间和空间上相距甚远的区域的捷径。因此，实现时空旅行是许多人的梦想。然而，科学家目前从未证实虫洞的存在，更不用说通过它们了。

最近，加州大学圣巴巴拉分校的傅子超、陈伶俐·格雷多·怀特和唐纳德·马洛法在图书馆网站上发表了两篇论文。他们已经建造了一个可以穿过虫洞的新模型。根据他们的研究，这样的虫洞可以存在于宇宙常数等于0的时空中。

拓扑宇宙审查原则

在格雷多-怀特等人的论文中，他们首次证明了可以穿过的虫洞在一般的空间和时间中是不存在的，而这背后的物理原理就是“拓扑宇宙审查原理”。

早在1993年，物理学家弗里德曼、施莱歇、威特等人就发表了关于拓扑宇宙审查原理的论文，这可以看作是相对论专家彭罗斯1969年提出的“宇宙审查猜想”的延续。

宇宙审查猜想指出，一个旋转的带电黑洞不能旋转得太快，因为巨大的旋转角速度将暴露黑洞视界所包围的奇点，这违背了相对论的因果关系。但是彭罗斯不能从数学和物理学的角度证明这个猜想，所以他认为需要像上帝一样的“宇宙审查”来禁止黑洞暴露奇点。

到1993年，宇宙审查假说还没有被证明，但是弗里德曼、施莱奇和维特等人继续提出拓扑宇宙审查原则。为了理解这个原理，我们必须首先理解零能量条件。

在时间和空间中，光子的轨迹是一条类似光的曲线，这条曲线在时间和空间的每个点上都有一个切向量，它被记录为类似光的向量(K)。此外，爱因斯坦的引力方程包含一个表征物质信息的能量动量张量。t是二阶张量，可以看作是一个矩阵。k是一个向量，可以看作一个列向量。因此，当t乘以2k时，就得到一个数。对于所有普通物质，该数值大于或等于0，这是类似光的能量条件:

根据拓扑宇宙审查原理，如果宇宙中物质的能量动量张量不破坏类光的能量条件，时空就不会有特殊的拓扑结构。换句话说，时空应该在拓扑上等同于简单的几何，如四维欧几里德空间和四维球体，不应该有奇怪的拓扑结构，如自行车内胎。虫洞是一种奇怪的拓扑。因此，根据拓扑宇宙审查原理，正常时间和空间中不存在可穿越虫洞。

必须违反类似光的能量条件

那么，虫洞何时能存在并被物质穿越？

虫洞作为空间和时间的拓扑结构，受到爱因斯坦引力场方程的限制。爱因斯坦引力场方程的左边是空间曲率，而右边是能量动量张量。

可穿越虫洞的存在有一个基本原则，即物质场的能量动量张量必须违反类光能量条件。

任何可穿越的虫洞必须由违反类光能量条件的“负能量”支持。换句话说，如果一组光子想要穿过虫洞，那么对应于该组光子的测地线就不能在虫洞中会聚，这就需要著名的印度物理学家阿玛尔·库马尔·拉乔杜里提出的方程。

哈佛大学研究虫洞理论的物理学博士高平告诉《全球科学》:“从理查森方程可以看出，在虫洞中，光不会击中奇点，除非物质场的能量动量张量违反类似光的能量条件——在这种情况下，聚焦在虫洞一端的光在离开虫洞另一端时会散射，从而可以逃离虫洞。”

因此，拓扑宇宙审查原理和Richardfuli方程都指向同一个结论:“如果你想穿越虫洞，你必须有违反类光能量条件的负能量！”

用宇宙弦建造虫洞

在格雷多-怀特等人的论文中，他们构建了一个可以通过的虫洞。

首先，它们需要两个带电的黑洞，而这两个黑洞的电荷是相反的。换句话说，一个黑洞带正电，另一个黑洞带负电。(虽然这种带电黑洞在真实宇宙中并不常见，但理论上它们可以存在于宇宙常数等于0的正常时空中。)为什么黑洞应该带电？这是因为带电黑洞内部的奇点可以被拉伸和扭曲，形成一座通向另一个带电黑洞的桥梁，这是科学家梦寐以求的虫洞的雏形。

然而，虫洞的雏形是不够的。因为带电黑洞之间存在万有引力和电磁力，这些力是相互吸引的，它们会使两个黑洞相互靠近，从而无法构建一个稳定的虫洞。

那么，如何稳定虫洞？他们想到了宇宙弦。

宇宙弦是弦理论的一个理论模型，它可以被看作是大爆炸后时空结构冻结时形成的一个奇怪的物体，具有很强的张力(弹性)。如果早期宇宙中出现的弦随着宇宙的膨胀而扩大，它们可能成为大尺度的宇宙弦。这种宇宙弦可以长达数万光年，成为连接两个黑洞的管道。在他们的论文中，格雷多-怀特和其他人使用了两条宇宙弦。

如下图所示，蓝色宇宙弦是一条闭合的弦，可以振动产生负能量。他们计算了这些负能量对时空几何的影响，发现它确实可以防止虫洞坍塌。黑色宇宙弦是连接两个带电黑洞端口的开放弦，依靠宇宙弦的巨大张力来阻止两个黑洞彼此靠近。

这个解决方案使得虫洞不仅稳定，而且可以穿越。穿越这个虫洞所需的时间与距离和光速的商的数量级大致相同。因此，这是一个“快而慢”的虫洞。然而，在Marda Sinar等人提出的永久虫洞中，穿越时间要长得多。这种永久的虫洞不适合星际旅行，而只是为了避免星际战争。

以往对可穿越虫洞的研究大多与反德西特时空(宇宙学常数为负)有关，而最新的研究构建了一个可穿越虫洞，它可以存在于宇宙学常数为0的时空中，这使得整个研究看起来更加真实。