爱因斯坦-罗森桥。
一幅概念图，展示了利用虫洞进行时空穿梭的景象。
引力透镜效应图解，可用于寻找虫洞。
存在两种虫洞
爱因斯坦在狭义相对论中首次提出虫洞理论。爱因斯坦认为引力只是能量促使下的隐藏的时空扭曲，通常由大质量恒星和星系的能量所致。在爱因斯坦1916年公布其方程式后不久，奥地利物理学家德维希弗·弗拉姆预言宇宙中存在时空隧道。
爱因斯坦曾和内森·罗森对虫洞进行详细研究。1935年，他们提出了利用一条时空隧道连接两个黑洞的构想，即所谓的爱因斯坦-罗森桥。不过，只有两端的黑洞属于一种特定形态，才可利用这个虫洞进行太空旅行。黑洞通常拥有强大的引力场，任何穿过事件穹界（黑洞边界）的物质都无法逃脱它的引力。相比之下，爱因斯坦-罗森桥两端的黑洞并不存在这种现象。
与爱因斯坦-罗森桥连接的是一个平行宇宙的某个区域，这个宇宙可能拥有自己的恒星、星系和行星。现在的理论学家已经接受了“我们所在宇宙只是众多宇宙中的一个”这种想法，但在爱因斯坦和罗森生活的年代，多个宇宙却是一个无法想象的概念。
庆幸的是，广义相对论也允许另一种类型的虫洞存在。1955年，美国物理学家约翰·惠勒指出，时空隧道连接我们所在宇宙的两个不同区域的可能性是存在的，这个虫洞显然更适于进行星系际旅行。惠勒将这种时空隧道命名为“虫洞”。无论是惠勒还是爱因斯坦和罗森，他们提出的虫洞都存在相同的缺陷，那就是极不稳定。即使让一个光子进入虫洞，也会立即导致事件穹界形成，致使虫洞关闭。
在创作科幻小说《超时空接触》时，美国天文学家卡尔·萨根希望为女主人公打造一种快速并且在科学上具有可行性的星系际旅行方式。为此，他专门求教于加州理工学院的理论学家基普·索恩。索恩认为虫洞可以做到这一点。1987年，索恩以及研究生麦克·莫里斯和尤里·约瑟夫进行研究，提出了一种可穿越的虫洞。根据他们的研究，这个虫洞的开口可以借助拥有负能量的物质保持张开状态。在拥有足够能量情况下，这种物质可以产生与引力相反的力，打开虫洞开口。
宇宙是一个四维膜
负能量的概念并不荒谬。想象一下，将两个平行金属板放在真空环境下，如果两块金属板距离很近，它们之间的真空将拥有负能量，即拥有低于外面真空的能量。原因在于：正常情况下的真空就如同波浪汹涌的大海，如果两块金属板靠的过近，海浪便无法穿过，导致金属板之间的能量低于外部真空。不过，宇宙内的负能量少的可怜，不足以打开虫洞口。打开一个允许人类通过的索恩-莫里斯-约瑟夫虫洞所需要的负能量等于银河系中相当一部分恒星一年内释放的能量总和。
迄今为止，科学家提出的所有虫洞都建立在爱因斯坦广义相对论成立这一基础之上。而实际上，这一基础可能并不牢靠。首先，广义相对论在黑洞心脏地带失效，在大爆炸产生的时间起始点也是如此。此外，描述原子微观世界的量子理论与广义相对论并不“兼容”。量子理论取得巨大成功，解释了从地面为何呈固态到太阳如何发光在内的一系列现象。很多研究人员认为爱因斯坦的广义相对论是一个更深层次的理论的“近似版”。
爱因斯坦指出引力是一种四维时空扭曲。受这一理论启发，物理学家西奥多·卡鲁扎和奥斯卡·克莱在1921年提出引力和电磁力也可以用五维时空扭曲加以解释。后来，弦理论学家又提出所有4种基本力都可以用十维时空扭曲解释。如果时空拥有4个以上的维度，根据爱因斯坦的广义相对论，虫洞的存在将成为一种不可能，除非拥有足够负能量保持洞口张开。
2002年，莫斯科引力与基本计量研究中心的基里尔·布龙尼科夫和首尔梨花女子大学的金宋万指出，虫洞无需负能物质也能存在。他们基于膜世界引力理论提出了一系列新的虫洞。这一理论认为我们所处的世界是一座四维岛或者四维膜，漂浮在更高的维度上。布罗尼科夫说：“虫洞不需要任何奇异物质便可拥有任意尺寸。”
具有“投机”色彩
高维引力理论和弦理论过于复杂，很难进行研究，相比之下，克莱豪斯和同事——同样就职于奥登堡大学的约塔·昆兹以及希腊约阿尼纳大学的帕那吉塔·坎提——提出的假设较为简单，他们的理论框架被称之为爱因斯坦-高斯-博内理论，简称DEGB理论。
如果高维理论中的额外维度收缩成极其微小的状态，这也就解释了我们为何无法直接感受到这些维度。弦理论中额外6个维度的收缩过程形成几个新力场，例如所谓的伸缩子场。广义相对论将引力概括为时空的弯曲，DEGB理论中的引力除了依赖这种扭曲外，同样依赖于更高维度的扭曲。通过将DEGB理论引入引力方程，克莱豪斯和同事发现虫洞保持张开状态无需借助负能量，甚至无需借助任何物质。
其他研究人员在对这一发现表示欢迎的同时也持谨慎态度。法国亚原子物理与宇宙学研究所的奥列德林·巴罗表示：“我认为这是一项非常重要的研究成果，让可穿越型虫洞的想法更具有可信度。然而，即使不需要负能物质，这也是一个非常具有投机色彩的想法。”
令人感到兴奋的是，克莱豪斯等人提出的虫洞连接两个不同宇宙的两个不同区域。根据弦理论，研究人员认为我们所在的三维宇宙实际上是一个高维空间的一个三维膜，也就是说，存在四维膜、五维膜，甚至拥有更高维度的宇宙。借助于虫洞，我们可以在不同宇宙之间穿梭，这不能不让人感到兴奋。
宇宙中存在这样的虫洞吗？可能性极大。惠勒指出量子涨落能够让存在轻微起伏的时空结构变成复杂结构，也就是“量子泡沫”。根据这一理论，拥有不同拓扑结构的微小虫洞能够在瞬间出现和消失。此外，宇宙膨胀能够放大虫洞，使其达到满足太空旅行的程度。克莱豪斯说：“由微小虫洞构成的亚微观空间结构也会随之膨胀。”
为了完整穿过克莱豪斯等人提出的虫洞，物体在穿行虫洞时承受的引力差异必须足够小。光子和亚原子粒子能够轻易穿过这条时空隧道。但为了让人类在不受引力损伤情况下穿过虫洞，虫洞口的弯曲必须非常平缓，这也就意味着虫洞口的宽度达到数十到数百光年。克莱豪斯表示如果存在这种尺度的虫洞，自然降低了科学家寻找的难度。他说：“如果太空望远镜在观测夜空时遭遇虫洞，所看到的景象一定突然发生变化，因为虫洞毕竟是另一个宇宙的窗口。”
人马座A*或为虫洞
不过，即使寻找巨大的虫洞也并非易事。隐藏在尘埃、气体和恒星后面时，虫洞与黑洞非常相似。银河系中央的超大质量黑洞人马座A*可能就是一个虫洞。克莱豪斯表示可以通过研究坠落人马座A*的物质验证这一点。观测结果显示黑洞周围的气体形成一个温度极高的气体盘，向外放射出X射线，虫洞口可能也是这种情况。目前，科学家尚无法制造出一架足以对黑洞内部进行观测的望远镜，不过，他们可以制造出对人马座A*进行观测的设备。如果人马座A*确为一个黑洞，当气体穿过事件穹界时，X射线放射将突然停止。如果是虫洞入口，我们仍能看到X射线，因为虫洞并没有事件穹界。
克莱豪斯和同事希望天文学家能够为他们提供其他线索，帮助他们进一步了解虫洞。一种可能性是：如果虫洞在一颗遥远恒星和地球中间穿过，它的引力将会以一种与众不同的方式扭曲遥远恒星发出的光，也就是所谓的“引力透镜”效应。
尽管DEGB理论提出的虫洞只连接不同宇宙，但连接我们所在宇宙不同区域的虫洞也有可能存在。克莱豪斯和同事希望能够证明这一点。这种虫洞的存在将让打造星系际地铁系统成为一种可能。不过，即使存在这样一个地铁系统，我们的银河系也不会出现在地铁地图上。原因在于：银河系是一个非常拥挤的星系，恒星之间的距离只有几光年。虽然这并不会阻止一个洞口宽度达到数十光年的虫洞存在，但确保恒星系统不会意外掉进虫洞的难度极大。坠落的恒星将突然导致虫洞关闭，因此星系际地铁可能会避开我们的星系。但在星系之间的广阔空间，这个问题并不存在。也许此时此刻，就有一条星系际地铁系统连接着银河系以外的区域与仙女座星系或者大麦哲伦星云，上演着超乎我们想象的星系际旅行。（来源：《新科学家》，编译：shooter）
本文来源：网易探索
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