虫洞理论是如何被提出的？有哪些核心知识？
虫洞理论是如何被提出的？有哪些核心知识？ 其实“虫洞”这个词在如今被使用的十分广泛，它并不是真实存在的东西，而只是一个概念。所以严格上讲，并没有“虫洞理论”这个东西，在不同的理论里，“虫洞”代表的东西都不一样，只要是符合虫洞定义的东西，你都可以称呼它为“虫洞”。那么，什么是虫洞呢？它的定义非常简单：
虫洞是连接两个时空的一个管道。
看上去平平无奇，是吧？但是细想这个定义可相当不简单了。“时空”，既包括“时间”，也包括“空间”，也就是说，虫洞连接的可以是不同空间里的两个点，也可以是不同时间上的两个点，通过虫洞，我们既可以“瞬移”到亿万光年远的宇宙另一边，或某个平行宇宙，也可以把它当成时间机器，回到过去，漫游未来。
怎么样，想想是不是挺刺激的？这也是为啥“虫洞”是科幻小说里“穿越派”的首选了。咱先别管能不能实现吧，至少他们在概念上没有瞎编，虫洞就是这样一个神奇的东西。
那这么科幻的东西，是怎么来的呢？难道物理学家天文学家们也开始搞起脑洞来了？
当然不是了。“虫洞”其实是某些方程的特殊解，或存在于某些物理理论中。在数学世界里，虫洞是可以存在的。只不过我们还没有在现实世界中找到它们的对应而已。有几种比较有名的虫洞，简单给大家讲讲吧（没有公式，全是描述哈）。
介绍虫洞之前，先介绍一下著名的克鲁斯卡尔坐标系。这是一个建立在史瓦西度规下的坐标系，史瓦西度规是广义相对论中的爱因斯坦方程的第一个严格解。它描述了一个静止的、不带电的、球对称的天体外部的引力场，或者说是其外部时空的弯曲情况。通过史瓦西度规我们可以算出，如果有一个天体极端致密，那么连引力也无法摆脱它的表面。没错，这就是黑洞。
而克鲁斯卡尔坐标系是对史瓦西度规的一种数学变换。横轴代表空间，纵轴代表时间。下图中的第一象限，就是一个标准黑洞坐标图。看不懂没关系哈，咱们主要聚焦的不是这些线的意义，而是剩下的其他三个象限与第一象限的关系。
史瓦西虫洞
我们可以先关注一下上面这张图的第一象限和第二象限。根据克鲁斯卡尔坐标系的定义，它们俩代表的性质是一样的，都是黑洞，只不过空间坐标不同。这意味着，第二象限的黑洞是“另一个空间的黑洞”。如果我们有办法从坐标轴穿越过去，那么就相当于从一个空间去到了另一个空间，这不就穿越成功了嘛！
这样连接两个黑洞的通道，就是一个虫洞（当然了，别问我是怎么连接上的，这个可以连接只是数学意义上的，现实中如何实现，我也不知道。），被叫做史瓦西虫洞。
史瓦西虫洞是个不稳定的虫洞，存在时间非常短暂，因此我们并不能真的从它中间穿过。
爱因斯坦-罗森桥
我们再把目光挪到上图中的第一象限和第四象限。第四象限有自己的名字--白洞。这也是个只存在于理论中，尚未被发现的东西，它同样可以从爱因斯坦方程的特殊解中得到。白洞的性质与黑洞正好相反，它也有一个不可穿越的视界面，但黑洞里的物质永远无法从视界面离开，白洞外的物质却永远无法进入视界面。也就是说，白洞只能往外喷发物质，而不允许物质向内流动。
1935年，爱因斯坦和纳森·罗森共同发表了一篇论文，提出广义相对论允许在黑洞和白洞之间产生一个被称为“桥”的连接，这就是大名鼎鼎的爱因斯坦-罗森桥。通过观察克鲁斯卡尔坐标系可以看出，黑洞和白洞的时间坐标系不同，因此，爱因斯坦-罗森桥是一个可以连接时间的虫洞。
不过，同史瓦西虫洞一样，爱因斯坦-罗森桥也不能稳定存在，它会很快消失，因此也是一个不可穿越的虫洞。
那么，就没有能穿越的虫洞了嘛？这就得靠理论物理学家们开开脑洞了。霍金在《时空简史》中提到，在量子理论中，允许存在“负能量密度”的地方，那里可以将时空弯曲成“负曲率”，构造出可以稳定存在的，允许人们穿越时间的虫洞。当然了，这只是一种合理脑洞，负能量密度如何存在，又怎么将时空弯曲，这些还没有足够的理论支撑，只能算是一种猜想。
ER=EPR
既然脑洞都开了，那为嘛不开个大点的呢？正所谓，“遇事不决，量子力学”。不光大众觉得量子力学很玄乎，理论物理学家们提出的各种量子理论也是玄之又玄。比如，2013年，斯坦福大学教授李奥纳特·萨斯坎德与普林斯顿高等研究院教授胡安·马尔达西那共同提出了ER=EPR猜想，即两个量子纠缠的粒子彼此之间的连结是一个虫洞。
这里的ER，指的就是上面的爱因斯坦-罗森桥，而EPR，是爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬，主要论述了两个微观粒子彼此之间的量子纠缠关系。将ER和EPR联系起来，就相当于把广义相对论与量子力学揉到了一块。这个猜想可以说是十分大胆，将两个已经非常成功但又似乎彼此独立的理论联系到了一起。不过，目前这仍然是个猜想，后续还有待大佬们的研究论证。
说了一大堆，肯定有小伙伴想问了，那你这不都是推理，假设嘛？虫洞到底存不存在啊？
这个问题真的没法回答。虫洞确实目前只存在于数学解中，相关理论也似乎玄之又玄。但想想看，作为广义相对论的一个特殊解，黑洞在被发现之初，也被认为是一种奇幻的，不可能存在的天体。但如今，我们不仅知道了黑洞真实存在，甚至还拍到了它们的真实照片。那么，广义相对论的另一个特殊解，白洞，是不是也有可能存在呢？再进一步，连接黑洞白洞，或者两个黑洞之间的虫洞，是否也有存在的可能性呢？
这些都还是未知。但我一直认为，人类的好奇心，求知欲，是上帝送给我们最好的礼物。相信总有一天，我们可以发现这个宇宙不可思议的另一面。
参考资料：
《时间简史》
https://en.wikipedia.org/wiki/Wormhole 虫洞理论最早是在爱因斯坦的广义相对论中被提出的。1915年，爱因斯坦发表了《广义相对论》的著名文章，并在这篇文章中提出了“引力场”这个概念。他认为，在重力作用下，物质和光束所遵循的轨迹会弯曲，即它们走直线的道路在弯曲的空间内表现得好像钱币放在盘子里，沿着盘的凹陷部分前进一样。
由于引力产生了时空的弯曲效应，因此就产生了一些奇特的现象，比如黑洞、白矮星等等，同时也可以设想通过某些方法连接不同时空区域之间的通道，即虫洞。
1962年，美国物理学家John Wheeler利用爱因斯坦场方程重新表达了虫洞理论，提出了“量子泡沫”的观点。随着计算机模拟技术和研究手段的改进，越来越多的理论和实验结果证明，虫洞可能存在，但建造和维持虫洞需要微观世界的积极干预。
虫洞理论认为，由于时空本身可以随着引力的影响而弯曲和扭曲，所以我们可能可以建立一种方法，利用虫洞来实现时间旅行或者跨越大范围的空间。如果一个人进入了一个虫洞，就好像钻进去穿过一段通道，他就可以瞬间到达另一个虫洞的另一端，从而实现超光速旅行或是将一些事件从过去传递到未来。
虫洞理论背后的数学公式非常复杂，很难被观测和测试验证。目前还没有确凿的证据表明虫洞是真实存在的，并且实际上，在当前的物理理论框架下，虫洞的构造和维护也存在较多的问题和挑战。但是，科学家仍然深信，通过不断的探索和研究，虫洞或许真的存在，并且能够被利用来实现人类的“星际穿越梦想”。
总之，虫洞理论是一个比较前沿和抽象的物理学概念，它给了我们全新的空间旅行和时间回溯的可能性。虽然目前的理论还存在许多问题和挑战，但相信随着科学技术的不断进步，这个梦想最终会变成现实，为人类带来更广泛的探索和发现。 "虫洞"的概念雏形最早出现于1935年由Albert Einstein和Nathan Rosen合作发表的题为The Particle Problem in the General Theory of Relativity（《广义相对论中的粒子问题》）的论文。该文中提出了广义相对论场方程的一个特殊解，后世称为Einstein-Rosen桥，它的最简单版本可通过著名的黑洞解Schwarzschild度规（本回答均采用几何单位制，命 https://www.zhihu.com/equation?tex=c%3DG%3D1 ）：
https://www.zhihu.com/equation?tex=ds%5E2%3D%281-%5Cdfrac%7B2M%7D%7Br%7D%29dt%5E2+%E2%80%94+%281-%5Cdfrac%7B2M%7D%7Br%7D%29%5E%7B-1%7Ddr%5E2+%E2%80%94+r%5E2d%CE%A9%5E2 介由一个简单的坐标变换 https://www.zhihu.com/equation?tex=r-2M%3Du%5E2 得到的解：
https://www.zhihu.com/equation?tex=ds%5E2+%3D+%5Cdfrac%7Bu%5E2%7D%7Bu%5E2%2B2m%7Ddt%5E2+-4%28u%5E2%2B2m%29du%5E2+-%28u%5E2+%2B+2m%29%5E2d%CE%A9%5E2 这个解本是Einstein和Rosen用于用场表示粒子，但并未获得成功。而由于该解在 https://www.zhihu.com/equation?tex=u%5Crightarrow%2B%5Cinfty 和 https://www.zhihu.com/equation?tex=u%5Crightarrow-%5Cinfty 的渐进平直性，被认为可以看作连接两个渐进平直时空的桥梁，也就成了虫洞的雏形。
到了20世纪50年代，美国物理学家Wheeler在开展几何动力学研究时，为将粒子几何化，在物理空间中引入一种多连通结构，并在他1955年的论文Geons（《几何子》）中，将其表示为下图：
两年后，Wheeler 与他的学生Charles Misner发表题为Classical physics as geometry（《作为几何学的经典物理学》）的论文，首次提出将这种结构命名为“虫洞”，后由Thorne 所继承，并经 Sagan普及，成为如今为大众所知的“虫洞”的概念。
现代物理学定义虫洞有两种方式，一种是拓扑观点，认为一个宇宙内虫洞是时空中的一个紧致区域，其边界是拓扑平凡的，但内部不是单连通的，这种观点下，虫洞的一个定义是：
设一个Minkowski时空包含一个紧致区域，其拓扑具有如下形式： https://www.zhihu.com/equation?tex=%5COmega%5Csim+%5Cmathbb+R%5Ctimes+%5CSigma ，其中是一个拓扑非平凡的 https://www.zhihu.com/equation?tex=3 -流形，其边界的拓扑具有如下形式： https://www.zhihu.com/equation?tex=%5Cpartial+%5CSigma%5Csim+%5Cmathbb+S%5E2 ，我们进一步假设是类时超曲面，那么包含一个准永久的宇宙内虫洞（quasipermanent intrauniverse wormhole）。（Lorentzian Wormholes (1996),byMatt Visser）另一种是几何观点，认为虫洞是时空中一个包含封闭曲面的渐进形变的区域，这种观点下，虫洞的一个定义是：
虫洞是时空中这样一个区域，它包含一个不能连续地收缩成一条世界线的“世界管”（world tube，一个闭曲面的时间演化）。（The Physics of Stargates，by Enrico Rodrigo）值得注意的是，上面的虫洞都是经典广义相对论中的定义，没有考虑量子效应所导致的时空涨落引起的虫洞。
虫洞不是真正的洞，而是一种理论预测的时空结构，它连接着两个遥远的地方，像一个快速的隧道。然而，直到今天，还没有观测证据表明它们的存在。从理论上讲，“虫洞物质”必须具有“负”的量。
最早的想法是在1916年提出的，当时并不是这个名称。奥地利物理学家路德维希·弗拉姆在研究爱因斯坦广义相对论中另一位物理学家对方程的解时，发现另外一种可能存在的解。他描述了一种叫做“白洞”的结构，与黑洞相反。
在1935年，爱因斯坦和内森·罗森详细阐述了这个理论，提出存在一种穿越时空的“桥梁”，可以连接时空中不同的两点，从理论上来讲，创造了一条缩短旅行时间和距离的捷径。这种捷径被称为“爱因斯坦-罗森桥”或“虫洞”，是广义相对论数学解的一种结果，虫洞的入口是一个黑洞。虫洞是一种理论上的时空通道，虫洞的概念是在20世纪50年代末由Misner和Wheeler以及Wheeler的提出的，目的是提供一种不带电的机制，电荷被认为是空间拓扑结构的一种表现形式。
穿越虫洞
穿越时空的故事常常出现在科幻小说中，但实际情况要复杂得多。
除了虫洞机制的技术层面，关于这些物体还有一些不容置疑的物理事实。即使虫洞确实存在，我们也很难说人类是否能够学会操纵它们。此外，人类甚至还没有星际飞船，因此想办法利用虫洞旅行是本末倒置。
另一个问题涉及稳定性。预测到的虫洞对于旅行来说是无用的，因为它们会很快坍缩。
还有一个明显的安全问题，我们不知道虫洞里会发生什么。我们也不知道虫洞能把飞船送到哪里。它可能在我们自己的星系，也可能在非常遥远的宇宙的其他地方。另外，如果一个虫洞把一艘飞船从我们的星系带到另一个数十亿光年以外的地方，就有一个时间问题需要考虑。虫洞是瞬间传送的吗？ 我们得理解下虫洞是什么？
虫洞，又称爱因斯坦-罗森桥，是一种连接时空中不同点的理论结构，它基于爱因斯坦场方程的特殊解。虫洞可以想像成一条隧道，其两端位于时空的不同点（可能是不同的位置和时间）。
虫洞与广义相对论是相容的，但虫洞是否真的存在还有待观察。许多科学家假设虫洞只是第四空间维度的投影，类似于二维生物如何只能体验三维物体的一部分理论上，一个虫洞可能连接十亿光年这样的极远距离，也可能连接几米这样的短距离，或者不同的时间点，甚至不同的宇宙。
1995年，马特·维瑟提出，如果在早期宇宙中生成负质量的宇宙弦，宇宙中可能存在许多虫洞。一些物理学家，例如弗兰克·迪普勒和基普·索恩，提出了如何人工制造虫洞。
地球的质量使得空间发生了弯折
宇宙间的旅行
由虫洞启用的时间旅行引起的佯谬的可能解决方案取决于量子力学的多世界解释。
若地面附近有一个虫洞，它可能是这样的
1991年大卫·多伊奇表明量子理论在具有闭合类时曲线的时空中是完全一致的（意思是密度矩阵可以被做成没有不连续）然而，后来表明，这种闭合类时曲线模型可能存在内部的不一致，因为它会导致奇怪的现象，像是区分非正交量子态和区分适当和不适当的混合态。因此半经典计算的结果表明了虚拟粒子在虫洞时间机器中循环的破坏性正反馈回路是不可能的。从未来返回的粒子不会返回其起源的宇宙，而是返回平行宇宙。这表示，理论上，具有极短时间跳跃的虫洞时间机器是同时的两个平行宇宙之间的桥梁。
http://picx.zhimg.com/v2-af4fad42e69968f664ba8d52b3f49e18_r.jpg?source=1940ef5c
被视觉化为2D的虫洞
因为虫洞时间机器在量子理论中引入了一种非线性项，平行宇宙之间的这种通信与约瑟夫·波尔钦斯基提出的“埃弗里特电话”一致（在史蒂文·温伯格的非线性量子力学表述中，依休·艾弗雷特三世的名字命名）
另一种虫洞在二维环境的模拟
平行宇宙之间交流的可能性被称为“宇宙间的旅行”。
http://picx.zhimg.com/v2-d57a874c7b1956a622636f174d2cf0e2_r.jpg?source=1940ef5c
洛伦兹虫洞（史瓦西虫洞）的电脑绘图
虫洞也可以用史瓦西黑洞的彭罗斯图来描绘。在彭罗斯图中，一个运动速度超过光速的物体将可穿过黑洞，并从另一端出现，进入不同的空间、时间或宇宙。这将是一个宇宙间虫洞。
参考资料
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%AB%E6%B4%9E
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