کرم چاله از تخیل تا واقعیت

حتما تاکنون به مفاهیمی مانند سفر در زمان و بازگشت به گذشته فکر کرده‌اید و یا مطالب مختلفی در این‌باره خوانده‌اید. در این مقاله قصد داریم به سراغ کرم چاله برویم؛ اجرامی در فضا که اگر وجود آن‌ها ثابت شود، می‌توانند نقش یک ماشین زمان را برای ما ایفا کنند.

در مقاله‌‌ پیش به مطالعه سیاهچاله‌ها پرداختیم که در نتیجه وجود انحنای بی‌نهایت در فضا پدید می‌آیند. اگر این چاله‌ها به تونل‌هایی تبدیل شوند که دو نقطه مختلف از فضا را به یکدیگر مرتبط کنند، آیا با شگفتی جدیدی در علم فیزیک روبرو می‌شویم؟

سروکله نسبیت عام باز پیدا شد!

پس از آنکه «آلبرت اینشتین» در سال 1915 نظریه «نسبیت عام» را ارائه کرد، دانشمندان زیادی در تلاش بودند تا پاسخی برای معادلات این نظریه پیدا کنند. نظریه نسبیت عام درکنار مفاهیمی که در مورد فضا-زمان بیان می‌کند، درحقیقت 16 معادله – با فرض چهار بعدی بودن عالم – است که می‌توان با درنظر گرفتن تقارن‌هایی در فضا-زمان تعداد آن‌ها را کاهش داد و به حل آن‌ها پرداخت.

کرم چاله‌ها برای اولین بار در سال 1916 نظریه‌پردازی شدند، اما در آن زمان چیزی نبودند که بتوان به آن‌ها نام خاصی نسبت داد. سپس در سال 1935، اینشتین و «ناتان روزن» فیزیکدان تلاش کردند تا این ایده را بیشتر توضیح دهند. آن‌ها وجود پل‌ها (تونل) در فضا-زمان را پیشنهاد کردند.

کرم چاله‌ها پاسخ‌های انتزاعی به معادلات اینشتین هستند. این پاسخ‌ها زمانی بدست آمدند که فیزیکدانان درحال مطالعه سیاهچاله‌ها بودند. به همین ترتیب، آن‌ها گمان کردند هنگامی که دو سیاهچاله در نقاط مختلف عالم توسط یک تونل به یکدیگر متصل شوند، کرم چاله پدید می‌آید.

ما اکنون می‌دانیم سیاهچاله‌ها در اثر فروپاشی یک ستاره در حال مرگ بوجود می‌آیند و به خودی خود - تنها در اثر وجود یک اتصال - نمی‌توانند سبب تشکیل کرم چاله شوند.

از آن زمان تاکنون، فیزیکدانان راه‌حل‌های متنوع دیگری برای وجود کرم چاله‌ها پیدا کرده‌اند. این راه‌حل‌ها تنها به وجود دو سیاهچاله که توسط یک تونل به یکدیگر متصل شده‌اند، محدود نمی‌شوند و انواع مختلفی از هندسه را برای کرم چاله متصور می‌شوند.

کرم چاله چیست؟

کرم چاله یک اتصال تونل مانند در فضا-زمان است. به عبارت دیگر، کرم چاله همانند تونلی است که نقاط مختلف فضا-زمان را به هم متصل می‌کند. یک کرم چاله دارای دو «دهانه» است که توسط تونل بهم متصل می‌شوند.

دهانه‌ها به احتمال زیاد باید همانند یک حلقه باشند. گلو نیز می‌تواند مسیری مستقیم میان این دو دهانه باشد. همچنین ممکن است به اطراف بپیچد و مسیری خمیده میان آن دو را ایجاد کند.

در تعریف ساده اولیه، کرم چاله را می‌توان تفسیر هندسی دو سیاهچاله دانست که به کمک یک تونل به یکدیگر متصل شده‌اند. این پل یا تونل را «پل اینشتین-روزن» می‌نامند - از این رو کرم چاله را با نام‌های «پل اینشتین-روزن» یا «کرم چاله اینشتین-روزن» نیز می‌شناسند. این پل درحقیقت یک جسم دینامیکی است که هر طرف آن به یک سوراخ (چاله) در فضا-زمان متصل است تا ارتباطی میان آن‌ها برقرار کند. حالتی که یک کرم چاله به نقطه‌ای در زمان گذشته متصل شود، «منحنی زمان-مانند بسته» یا «CTC» نام دارد.

این تونل را می‌توان به نتیجه حرکت یک کرم درون سیب تشبیه کرد. کرم با شروع از یک نقطه، در درون سیب حرکت می‌کند و از نقطه دیگری بیرون می‌آید. کرم چاله نیز به همین ترتیب دو نقطه مختلف در فضا-زمان را بهم مرتبط می‌کند.

کرم چاله‌ها می‌توانند در طی مسافتی چند هزار سال نوری در مدت زمان بسیار کوتاه به ما کمک کنند. از نظر تئوری، یک کرم چاله ممکن است فواصل بسیار طولانی مانند یک میلیارد سال نوری یا فواصل کوتاه مانند چند متر یا سانتی‌متر را به هم متصل کند.

با این‌حال، طبق مطالعات نظری فیزیک کرم چاله‌ها، دلیل خاصی وجود ندارد که فاصله‌ای که کرم چاله میان دو نقطه ایجاد می‌کند، لزوما کوتاه‌تر باشد – گاهی ممکن است کرم چاله مسیری طولانی‌تر را ایجاد کند. فرض کنید یک کرم از نقطه‌ای وارد یک سیب می‌شود و پس از آنکه بارها درون سیب مسیرهای مختلفی را طی کرد، از نقطه‌ای بسیار نزدیک به نقطه شروع از سیب بیرون می‌آید.

سفر در زمان با کرم چاله

یکی از جنبه‌های شگفت‌انگیز کرم‌ چاله‌ها این است که چون می‌توانند همانند یک «میانبر» در فضا-زمان عمل کنند، پس احتمالا می‌توانند امکان سفر به گذشته را نیز فراهم کنند. فیزیکدانان باور دارند سفر بین دو نقطه در فضا به کمک کرم چاله‌ها زمان بسیار کمتری نسبت به سفر بین همان دو نقطه در حالت معمولی نیاز دارد.

کرم چاله‌ها نه تنها ممکن است دو منطقه مجزا در جهان را به هم متصل کنند، بلکه می‌توانند دو جهان مختلف را نیز به هم مرتبط کنند.

داستان‌های علمی-تخیلی مملو از داستان‌های سفر در زمان به کمک کرم چاله‌ها است. اما واقعیت این است که چنین سفرهایی بسیار پیچیده هستند – نه فقط به دلیل اینکه ما هنوز حتی یکی از آن‌ها را شناسایی نکرده‌ایم. اما آیا به عواقب آن فکر کردید؟ سفر در زمان می‌تواند شرایط متناقضی را برای ما فراهم کند. برای مثال، به «پارادوکس پدربزرگ» بیندیشید.

پارادوکس پدربزرگ

پارادوکس پدربزرگ یک مشکل منطقی بالقوه است که در صورت سفر یک شخص به گذشته بوجود می‌آید. فرض کنید سوار یک ماشین زمان شده و به گذشته می‌روید. در این سفر با پدربزرگ خود که در دوران جوانی به سر می‌برد و هنوز ازدواج نکرده است، ملاقات می‌کنید. اگر شما او را بکشید، زنجیره کاملی از رویدادهای آینده از جمله تولد خودتان غیرممکن می‌شود. این درحالی است که شما وجود دارید و سوار بر آن ماشین زمان شده‌اید. این پارادوکس را پارادوکس پدربزرگ می‌نامند. بنابراین، اگر سفر در زمان امکان‌پذیر باشد، باید به نحوی این پارادوکس را حل کرد.

ناهماهنگی منطقی در سفر در زمان موضوعی رایج و هیجان‌انگیز برای داستان‌های تخیلی است. همچنین فیلسوفان نیز علاقه بسیاری به این دسته مباحث دارند. اما چنین پارادوکسی چطور حل می‌شود؟

فیزیکدانان به دو روش مختلف قادر به پاسخ‌دهی به این پارادوکس هستند.

پاسخ اول

تناقضاتی که در پارادوکس پدربزرگ وجود دارد، سفر در زمان را غیرممکن نمی‌داند، بلکه نشان می‌دهد نتیجه آن تا حد زیادی به نظریه‌ای بستگی دارد که در مطالعات خود در نظر می‌گیرید.

نظریه مکانیک کوانتومی اینجا به کمک ما می‌آید. طبق این نظریه، هر رویداد می‌تواند چندین پیامد احتمالی با احتمال وقوع یکسان داشته باشد. بدین ترتیب، می‌توانیم به جای آنکه احتمال کشته شدن پدربزرگ توسط شما را 100% بدانیم، برای رخدادهای دیگر نیز احتمالی درنظر بگیریم. مثلا، ممکن است شما با پدربزرگ خود در گذشته ملاقات کنید و به جای کشتن او، به یک دوست خوب برای او تبدیل شوید.

پاسخ دوم

«استفان هاوکینگ» فیزیکدان برجسته بریتانیایی در پاسخ به این پارادوکس مدل «تاریخ سازگار» را پیشنهاد می‌کند. در این مدل، گذشته، حال و آینده به‌طور کامل از پیش تعیین شده است. به این ترتیب، تنها در صورتی می‌توان به گذشته سفر کرد که این رخداد از پیش برای شما تعریف شده باشد. در این صورت، اگر کشتن پدربزرگ برای گذشته شما معنا نیافته باشد، این رخداد هرگز وجود نخواهد داشت.

کرم چاله از چه چیزی ساخته شده است؟

مطالعات فیزیکدانان نشان داده است کرم چاله اصولا نمی‌تواند از موادی که در دنیای اطراف خود می‌شناسیم، شکل بگیرد. برای بوجود آمدن کرم چاله نیاز به ماده‌ای داریم که چگالی انرژی آن منفی باشد. هیچ یک از مواد معمولی چنین ویژگی ندارد. تمام اشکال ماده که برای فیزیکدانان و شیمیدانان آشنا است، چگالی انرژی مثبت (یا به عبارت دیگر، جرم مثبت) دارند.

فیزیکدانان باور دارند اگر یک کرم چاله حاوی این ماده عجیب باشد، می‌تواند روشی برای ارسال اطلاعات یا جابجایی انسان‌ها در فضا-زمان باشد. سفر انسان از طریق تونل‌های فضایی بحثی بسیار چالش برانگیز است. اگر کرم چاله‌ها از چنین ماده ناشناخته‌ای تشکیل شده باشند، بسیار پایدار هستند و می‌توانند برای مدت طولانی بدون تغییر باقی بمانند.

از آنجا که دانشمندان عقیده دارند افزودن ماده با چگالی انرژی منفی می‌تواند سبب پایداری کرم چاله شود، برخی عقیده دارند افزودن ماده معمولی – ماده با چگالی انرژی مثبت – می‌تواند به ناپایداری و نابودی آن منجر شود.

از آنجا که وجود این ماده به اثبات نرسیده است، دانشمندان در مطالعات دیگری به سراغ افت و خیزهای کوانتومی می‌روند.

عالم ما به طور کامل یکدست و یکپارچه نیست، بلکه اختلالاتی در آن وجود دارد که آن‌ها را افت و خیزهای کوانتومی می‌نامیم. این افت و خیزها از عالم اولیه ناشی می‌شوند. فیزیکدانان باور دارند کرم چاله‌ها از افت و خیزهای کوانتومی بوجود می‌آیند.

هاوکینگ عقیده دارد این افت و خیزها بسیار ناپایدار هستند و سبب می‌شوند هندسه کرم چاله ثبات نداشته باشد. او به همین دلیل باور دارد نمی‌توان از کرم چاله‌هایی که از افت و خیزهای کوانتومی تشکیل شده‌اند، برای سفر در زمان استفاده کرد.

آیا وجود کرم چاله در عالم به اثبات رسیده است؟

در حال حاضر، کرم‌ چاله‌ها فقط ساختارهای نظری هستند که وجود آن‌ها در نظریه نسبیت عام پیش‌بینی شده اما هیچ مدرک تجربی برای اثبات وجود آن‌ها در عالم وجود ندارد.

با این‌حال، بسیاری از فیزیکدانان به علت خواص ریاضیاتی خاصی که دارند، به مطالعه آن‌ها می‌پردازند.

مطالعه چنین ساختارهای عجیب و متفاوتی می‌تواند به شناخت هندسه‌ فضا-زمان کمک کند. همچنین بینشی در مورد اثرات افت و خیزهای کوانتومی مذکور در فضا به دانشمندان ارائه می‌دهد. این افت و خیزها در درک گرانش کوانتومی موثر است. گرانش کوانتومی شاخه‌ای از علم فیزیک است تا تلاش دارد نظریه‌های نسبیت عام و مکانیک کوانتومی را باهم متحد کند.

برخی فیزیکدانان که ساخته شدن کرم چاله از ماده‌ای با چگالی انرژی منفی باور دارند، امیدوار هستند تا بتوانند این ساختارها را از طریق تاثیری که نیروی گرانش بر نور عبوری از آن‌ها می‌گذارد، شناسایی کنند.

پایداری کرم چاله

کرم چاله‌هایی که از حل‌ کلاسیک معادلات اینشتین بدست می‌آیند - کرم چاله‌های اینشتین-روزن - برای سفر بی‌فایده هستند. این ساختارهای نظری پیش از آنکه سفینه یا حتی پرتوی نوری بتواند از درون آن‌ها عبور کند، از بین می‌روند.

کرم چاله‌هایی پایدار و برای عبور مناسب هستند که به اندازه‌ای پایدار باشد که حداقل یک پرتو نور بتواند با موفقیت از میان آن عبور کند. به همین دلیل کرم‌ چاله‌ها را می‌توان به دو دسته ایستا و دینامیکی تقسیم کرد. برای آنکه یک کرم چاله ایستا و بدون تغییر در زمان باشد، باید حاوی ماده با چگالی انرژی منفی باشد. از آنجا که ماده با چگالی انرژی منفی تاکنون در عالم مشاهده نشده است، آن را ماده «عجیب و غریب» یا «Exotic» می‌نامند.

تجزیه و تحلیل‌های انجام شده نشان می‌دهد افت و خیزهای کوانتومی قادر به تولید کرم چاله با پایداری بالا نیستند.

درحالیکه به نظر می‌رسد طبیعت اجازه وجود کرم چاله‌های ماکروسکوپی – که پایداری بالایی دارند – را نمی‌دهد، هنوز عدم قطعیت کافی در استدلال‌ها وجود دارد که به فیزیکدانان نظری اجازه می‌دهد به مطالعه جنبه‌های عجیب و غریب این ساختارها بپردازند.

«مت ویسر» استادیار فیزیک دانشگاه «واشنگتن» می‌گوید: «کرم چاله‌ها موجودات فرضی هستند که در تحلیل‌های نظری نسبیت عام ظاهر می‌شوند. هنوز هیچکس آن‌ها را ندیده است و ما از وجود آن‌ها مطمئن نیستیم. اما وقتی به سراغ محاسبات می‌رویم، کرم چاله‌ها آنقدر راحت ظاهر می‌شوند که بسیاری از فیزیکدانان عقیده دارند ممکن است در جهان واقعی نیز وجود داشته باشند.»

علاوه بر ناپایداری کرم چاله‌های ساخته شده از افت و خیزهای کوانتومی، نکته دیگری که نگرانی فیزیکدانان نظری را برمی‌انگیزد، خطر فروپاشی ناگهانی و تشعشعات زیاد این ساختارها است.

آن‌ها عقیده دارند یک کرم چاله ممکن است در هر لحظه فرو بریزد. همچنین احتمال برخورد با مواد عجیب و خطرناک در درون یک کرم چاله وجود دارد.

کرم چاله را تصور کنید!

یکی از راه‌های مرسوم برای تصور کرم چاله‌ها این است که یک ورق کاغذ بردارید و در قسمت بالایی برگه و پایینی آن دو سوراخ ایجاد کنید. این ورق کاغذ نمایانگر صفحه‌ای پیوسته در فضا-زمان است و فاصله میان دو نقطه، فاصله‌ای است که باید درحالت عادی طی شود تا از سوراخ بالای کاغذ به سوراخ پایینی برسیم.

حالا برگه کاغذ را خم کنید به طوری که دو سوراخ روی هم بیفتند ( آن را تا نکنید. صرفا دو سوراخ را روی هم قرار دهید.) این دقیقا کاری است که یک کرم چاله انجام می‌دهد. حال مشاهده می‌کنیم که فاصله میان دو سوراخ به چه میزان کاهش یافت.

جالب و هیجان‌انگیز است. اما متاسفانه تکنولوژی امروز ما قادر به اثبات وجود این ساختارها در عالم نیست. حتی در صورتی که بتوان یک کرم چاله در عالم پیدا کرد، ما فعلا قادر به پرواز به سمت آن یا تلاش برای افزایش پایداری آن نیستیم. دانشمندان برای یافتن و بررسی این اجرام نیاز به فناوری‌های پیشرفته دارند.

امیدواریم در آینده‌ای نه چندان دور بتوان از این ساختارهای عجیب پرده‌برداری کرد.