تونل‌های کیهانی: سفر در فضا-زمان با کرمچاله‌ها

در ابتدای تحقیقات در مورد سیاهچاله‌ها یعنی پیش از آن که حتی دانشمندان اسمی را برای این اجرام انتخاب کرده باشند، فیزیکدانان در مورد وجود چنین پدیده شگفت‌آوری اطمینان نداشتند. آن‌ها می‌توانستند حاصل روابط ریاضی پیچیده باشند که در تئوری نسبیت عام پا به پای گرانش توصیف شدند.

پس از اثبات نظری سیاهچاله‌ها تا مدت‌ها فرض بر این بود که تنها موجودات غیر قابل درک کیهان سیاهچاله‌ها هستند؛ اما این تنها پدیده عجیب در اخترفیزیک و کیهانشناسی نیست! پس از آن زمزمه‌هایی از یک پیشبینی عجیب دیگر در نسبیت عام ذهن‌های پرسشگر را به سمت خود می‌کشاند.

کرمچاله‌ها تونل‌هایی در فضا-زمان هستند که دو فضا زمان دور از یکدیگر و مجزا را به هم متصل می‌کنند؛ اما آیا این آغازی برای شکل جدید رفت و آمد انسانی است؟ آیا آن گونه که فیلم‌های هالیوودی به این مفهوم می‌پردازند می‌توان از آن‌ها به عنوان میان‌بر‌هایی در فضا-زمان استفاده کرد؟

آیا بشر باید امیدوار باشد که روزی بتواند از یک فضا-زمان به یک فضا-زمان دیگر برود بی آن که نیاز داشته باشد با مفهوم سال نوری دست و پنجه نرم کند؟  با توجه به مجموعه تحقیقاتی که در سال 1935 انجام گرفت، پاسخ این پرسش‌ها منفی است. اما پژوهش‌های جدید درباره چگونگی شکل‌گیری و اطلاعات به دست آمده در این باره می‌تواند حقیقت کرمچاله را برای فیزیکدانان به شکل قابل توجهی ساده کند.

ایده اولیه حضور پدیده عجیبی به نام کرمچاله از سوی آلبرت انیشتین و ناتان روزن ارائه شد. آن‌ها در طی مطالعات خود به بخشی عجیب رسیدند که نمی‌توانستند آن را با پدیده‌های دیگر توضیح دهند؛ این نقطه، آغازی برای پل‌های بی‌بازگشت فضایی بود که بعدها کرمچاله نامیده شد.

انیشتین و روزن در طی پژوهش‌های خود کشف کردند که از نظر تئوری ممکن است کرمچاله نقش پلی در فضا زمان را بر عهده داشته باشد که با آن بتوان به فضایی دیگر متصل شد؛ برای مثال فرض کنید که در وان حمام خود دراز کشیده‌اید و درپوش وان را برمی‌دارید و خود شما نیز با آب از خروجی وان خارج می‌شوید و به جای گیر کردن در لوله‌ها سر از وان دیگری در می‌آورید! این در اصل همان موضوعی بود که فیزیکدان‌هایی مثل انیشتین و روزن در حالت نظری سعی در اثبات آن داشتند.

پس از انیشتین و روزن، تحقیقات فیزیکدانان بعدی این ایده را گسترش داد؛ اما چرا آن گونه که در فیلم‌های علمی- تخیلی مشاهده می‌کنیم نمی‌توان از کرمچاله‌ها برای عبوری ساده در فضا استفاده کرد؟

در پاسخ این سوال دو مشکل اساسی در رابطه با کرمچاله‌ها مطرح می‌شود: مشکل اول اندازه این کرمچاله‌ها است؛ کرمچاله‌ها معمولا اندازه‌های میکروسکوپی و ناچیزی دارند پس احتمال عبور هر مسافر ماکروسکوپی از آن‌ها برابر است با بسته شدن مسیر تونل؛ مگر آن که در برخی شرایط اندازه آن‌ها دچار تغییر شده باشد.

اما مشکل دوم مربوط به ثبات و استحکام کرمچاله می‌شود، برای ساخت یه کرمچاله پایدار و محکم نیاز به یک ماده اضافی داریم، این ماده «اگزوتیک» نامیده می‌شود که می‌تواند کرمچاله را برای مدت طولانی باز نگه دارد. با اینکه وجود ماده اگزوتیک خود دارای بحث‌های بسیاری است اما وجود این ماده به معنای خواب و رویا بودن تئوری‌هایی که فیزیکدانان بیان می‌کنند نیست. اگزوتیک یک ماده غیر معمول با جرمی به شدت منفی است که این موضوع از نظر برایانا گرادو وایت، فیزیکدان و محقق کرمچاله از دانشگاه برندایس نشان دهنده حساسیت کرمچاله‌ها است.

در سال 2017، پینگ گائو و دنیل جفریس با همکاری آرون وال، از مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی پرینستون، طرحی را درباره در هم‌تنیدگی سیاهچاله‌ها را پیشنهاد دادند. طبق این نظریه، اگر بتوان یک زوج سیاه‌چاله‌ را درهم تنیده کرد، کیوبیتی که سیاه‌چاله‌ی اول می‌بلعد، وارد سیاه‌چاله‌ی دیگر می‌شود.

گائو و جفریس نشان می‌دهند که چگونه با اضافه‌کردن اتصال بین سیاه‌چاله‌ها می‌توان اطلاعات کوانتومی را بین آن‌ها مبادله‌ کرد. این فرایند شنبه به تله‌پورت کوانتومی است. در این فرایند، از درهم‌تنیدگی بین دو ذره برای انتقال وضعیت کوانتومی یکی از آن‌ها به دیگری استفاده می‌شود. وجود این ایده یک خبر خوب برای فیزیکدانان به شمار می‌رود زیرا درهم‌تنیدگی از ویژگی‌های بازر فیزیک کوانتوم است بنابراین ایجاد کردن آن تقریبا آسان است.

نبیل اقبال، فیزیکدان دانشگاه دورهام در انگلستان با اینکه بخشی از این تیم تحقیقاتی نبود اما معتقد است که این تئوری بسیار زیبا و شگفت‌آور است. با اینکه این روش باعث کمک به ثبات و استحکام کرمچاله می‌شود اما هنوز هم مشکل اول که مربوط به اندازه کرچاله‌ها است حل نشده است. در واقع، فیزیکدانان امیدوار هستند که با ایجاد درهم‌تنیدگی انواع مختلفی از موارد بتوانند کرمچاله‌های ماکروسکوپی با سوراخ‌های قابل عبور ایجاد کنند.

برمبنای تحقیقات گائو و جفریس، نبیل اقبال و همکار او از دانشگاه دورهام با نام سیمون راس تلاش کردند که کرمچاله‌های ماکروسکوپی تولید کنند. اقبال در این باره می‌گوید: «ما معتقدیم به تحلیل این ایده از نظر علمی بسیار هیجان‌انگیز است و بی‌صبرانه در حال انتظار برای دیدن این پدیده شگفت‌آور هستیم.»

در همکاری اقبال و راس، تحقیقات نشان می‌داد که چگونه اختلالات الکترومغناطیسی مشخص از لحاظ نظری می‌تواند کرمچاله‌های پایدار را ایجاد کند؛ لازم به ذکر است به رخ دادن چنین شرایطی در واقعیت بسیار بعید به نظر می‌رسد. کارهای اقبال و راس بر بخش مهمی از  ساختن کرمچاله ها تأکید دارد. این بخش در واقع یافتن فرآیندی واقع گرایانه است که از هرچیزی خارج از فیزیک قابل درک بی‌نیاز باشد.

خوآن مالداسنا، فیزیکدان انستیتوی تحقیقات پیشرفته و همکارش الکسی مایلخین از دانشگاه پرینستون در سال 2013 مقاله‌ای را درباره ارتباط کرمچاله‌ها با درهم‌تنیدگی تالیف کردند.

آن‌ها روشی را کشف کرده‌اند که می تواند مشکل اندازه را حل کند و حفره های ماکروسکوپی ایجاد کند. ترفند رویکرد آنها این است که ماده تاریک مرموزی که جهان ما را پر می کند باید به روشی خاص رفتار کند که این مدل می‌تواند از قوانین جهانی که اکنون در آن زندگی می‌کنیم پیروی نکند. اما چیزی نکته مشخص این است که باید با استفاده از امکانات و دانسته‌های خود در حیطه فیزیک توصیفاتی را از این پدیده ادامه دهیم بی آن که از ماده اضافی بهره‌مند شویم. به عبارتی دانشمندان یک جعبه ابزار با وسایل محدود در اختیار دارد و با این رویکرد می‌توانند کارهای زیادی را انجام دهند.

با همه این موضوعات روند تحقیقات در مورد کرمچاله‌ها هنوز هم ادامه دارد. با اینکه تاکنون چیزی مشابه کرمچاله ماکروسکوپی توسط انسان‌ها گزارش نشده است اما نتیجه‌ها حاکی از پیشرفت فیزیکدانان است.

فیزیکدانان در تلاشند که بتوانند کرمچاله‌هایی بسازند که با استفاده از کوانتوم ساده ثابت و باز بمانند؛ تا سال‌های اخیر فیزیکدانان نمی‌دانستند که کرمچاله‌ها می‌توانند به وسیله انسان‌ها ساخته شوند اما با توجه به پیشرفت آن‌ها در این حیطه می‌توانیم امیدوار باشیم که در آینده با ساختارهایی بتوان فضا-زمان را دور زد.