از سیاه‌چاله تا کرم‌چاله؛ آیا می‌توان از میان زمان میان‌بُر زد؟

فکر میان‌بُر زدن در فضا و زمان از دیرباز ذهن بشر را مشغول کرده است.

فرض وجود چنین میان‌برهایی از دل معادله‌های اینشتین بیرون آمده، یعنی بجای اینکه رفتن از نقطه الف به نقطه ب هزاران سال نوری طول بکشد، می توان با خم کردن فضا-زمان و ایجاد یک تونل، این سفر را کوتاهتر کرد.

به این میان‌بر فرضی در تقریبا یک قرن اخیر نام‌های متفاوتی داده‌اند: تونل فِلَم (۱۹۱۶)، آزمایش وِیل (۱۹۲۲) پل اینشتین-روزن (۱۹۳۶)؛ تا اینکه جان ویلر در سال ۱۹۵۷ آن را کرم‌چاله نامید.

کرم‌چاله‌ ‌

مثل خیلی ماجراها در فیزیک نظری (مدرن)، این میان‌بر‌های فرضی هم با آلبرت اینشتین شروع می‌شوند.

"معادله‌های میدان" که نظریه نسبیت عام اینشتین را شکل می‌دهند فضا-زمان را با هندسه فضایی توصیف می‌کنند.

فضا-زمان را مثل یک توری (تور) در نظربگیرید که اجرام و نیروها بر آن اثر می‌گذارند. با استفاده از معادلات اینشتین، چند نفری دریافته بودند که با تا کردن این توری روی خودش، می‌توان در فضا-زمان تونل درست کرد.

اما این نظریه تقریبا ۲۰ سال تا ۱۹۳۶ کم و بیش مهجور ماند تا اینکه خود اینتشین با فیزیکدانی به نام نی‌تان روزن این معادله‌ها را بازکاوی کردند.

آلبرت اینشتین و نی‌تان روزن

این دو دریافتند که اگر نیرو به حد کافی عظیم باشد، توری را خم‌ و تا می‌کند و در تئوری، فاصله دو نقطه را کم می‌کند. به عبارت دیگر، اگر این دو نقطه، دو سوراخ باشند و آنها را به هم وصل کنیم، می‌توانیم تونلی در فضا-زمان ایجاد کنیم.

این همان چیزی است که به آن پل اینشتین-روزن یا کرم‌چاله می‌گویند، جایی فرضی در فضا-زمان که انرژی‌ای بسیار عظیم، آن را چنان خم کرده که دو سوراخ را به هم وصل می‌کند.

بعدها در سال ۱۹۵۷ وقتی دانشمندی به نام جان ویلر خواست این پدیده اخترفیزیکی را توضیح دهد از تمثیل مورچه روی سیب استفاده کرد.

تمام دنیای مورچه همین سیب است و اگر بخواهد از این سوی دنیایش به آن سو برود، باید تمام دور سیب را طی کند، راه دیگر این است که از تونلی بگذرد که یک کرم از این سو به آن سوی سیب ایجاد کرده است.

جان ویلر، هیدکی یوکاوا و آلبرت اینشتین، دانشگاه پرینستون، ۱۹۵۴

جان ویلر و شاگردش رابرت فولر در سال ۱۹۶۲ به سراغ معادلات اینشین-روزن رفتند و متوجه شدند بر خلاف تصور، اتصال دو سوراخ بسیار گذرا برقرار می شود.

این تونل‌ها چنان بسرعت ایجاد و نابود می‌شوند که عبور از آنها غیرممکن است، حتی نور هم فرصت نمی‌کند از آنها بگذرد.

فرضیه کرم‌چاله در سال ۱۹۸۵ به برکت کارل سِیگِن بیشتر بین مردم شناخته شد.

در آن زمان این، دانشمند و مبلغ سرشناس، داشت نوشتن رمان "تماس" را به پایان می‌برد. او می‌خواست مطمئن شود که در تئوری ممکن است قهرمان داستانش ۲۶ سال نوری سفر بین دو ستاره را، با عبور از یک سیاه‌چاله در چند ثانیه طی کند.

پس به سراغ دوستش، فیزیکدان نظری کیپ تورن رفت.

کارل سیگن در شناساندن ایده‌های فیزیک نظری به عموم نقش مهمی بازی کرد

از نظر تورن داستان سیگن یک اشکالی داشت. اگر قهرمان داستان از راه یک سیاه‌چاله چنین میان‌بری بزند، زنده از آن بیرون نمی‌آید. پس پیشنهاد کرد که قهرمان داستان بجای گذر از سیاه‌چاله، از راه یک کرم‌چاله میان‌بر بزند. اما در آن زمان تصور بر این بود که گذر از کرم‌چاله غیرممکن است.

تورن ناامید نشد و به معادلات لودویگ فلم و اینشتین-روزن رجوع کرد تا ببیند چگونه می‌توان به این میان‌برهای فضا-زمان، ثبات بیشتری بخشید.

یکی اینکه برای بازنگهداشتن این تونل‌ها، به نیرویی عظیم نیاز است. فشردگی جرم در در مرکز سیاهچاله که به آن تکینگی می‌گویند، چنان عظیم است که پیوند دو سیاهچاله را ناممکن می‌کند.

دوم اینکه، اگر سیاه‌چاله همه‌چیز را به درون می‌کشد حتی نور را، پس به ضد آن یعنی سپیدچاله‌ای نیاز داریم که در آن سوی تونل، بر عکس سیاه‌چاله همه چیز را به بیرون براند.

دو سر مسیر باید با پل اینشتین-روزن به هم وصل شوند و چیزی با قدرت کافی باید تونل را باز نگه دارد.

لودویگ فلم

اما این چیز، چیست؟

برای پاسخ باز باید سراغ اینشتین رفت و معروف‌ترین معادله‌اش که احتمالا به آن برخورده‌اید، اینکه ماده و انرژی می‌توانند به هم تبدیل شوند و اینکه خاصیت فضا-زمان سبب می‌شود اجرام پرجرم همدیگر را به سمت خود بکشند.

اگر برگردیم به تشبیه فضا-زمان به توری، اجرام سنگین‌تر، انحنا (فرورفتگی/برآمدگی) بیشتری در توری ایجاد و اجرام سبک‌تر را به مدارشان محکوم می‌کنند.

سپیدچاله

اما اگر به دنبال خاصیت عکس و ایجاد سپیدچاله باشیم چه؟ اگر بخواهیم اجرام همدیگر را بجای جذب، دفع کنند چه؟

تورن عامل مرموزی که می‌تواند این کار را بکنند "ماده عجیب‌غریب" نامید، ماده‌ای که جرم و انرژی منفی دارد و بجای کشش، رانش ایجاد می‌کند.

از نظر ریاضی، انرژی منفی را می‌توان به ماده منفی تبدیل و سپید‌چاله‌ای ایجاد کرد که تونل کرم‌چاله را باز نگه‌دارد.

لوز آنخلا اخترشناس دانشگاه بوگوتای کلمبیا می‌گوید:

"فرضیه نسبیت خاص که ماده و انرژی را به هم مربوط می‌کند، مانعی بر سر وجود جرم منفی نمی‌بیند، هرچند که تابحال آن را مشاهده نکرده‌ایم. بنابراین می‌توان با سازوکاری مشابه سیاه‌چاله‌، سپیدچاله ایجاد کرد و می‌توانیم آزمایشی فرضی برای تشکیل کرم‌چاله تصور کنیم."

تصور اینکه ماده یا انرژی منفی یعنی چه، (خب) البته کمی کار می‌برد، اما در ریاضی خیلی هم خارق‌العاده نیست.

محاسبات ریاضی با اعداد منفی در جبر و حساب مدرسه یادتان هست؟

و شاید تخیلی به نظرتان برسد اگر بدانید از سال ۱۹۴۸، در آزمایشگاه، نوسانات کوآنتومی را که خلا انرژی ایجاد می‌کنند مشاهده کرده‌ایم.

بنابراین می‌دانیم انرژی منفی نه فقط وجود دارد بلکه می‌توانیم مقدار بسیاربسیار ناچیزی از آن را برای مدتی بسیار کوتاه ایجاد کنیم.

شرح تصویر: چگونگی شکل‌گیری کرم‌چاله وقتی فضا-زمان خمیده می‌شود

اما با همه این حرف‌ها، بالاخره کرم‌چاله وجود دارد یا نه؟

مثل بسیاری از پاسخ‌ها در فیزیک نظری، اینکه تاکنون کرم‌چاله‌ای ندیده‌ایم، معنی‌اش این نیست که وجود ندارد.

ما خوب می‌دانیم سیاه‌چاله چگونه تشکیل می‌شود اما هیچ جرم کیهانی را ندیده‌ایم که بتواند به سپیدچاله تبدیل شود و تونل کرم‌چاله را کامل کند.‌

اما چیزی هم که کاملا این امکان را منتفی کند ندیده‌ایم.

برخی دانشمندان فکر می‌کنند بعید است کرم‌چاله‌ها، طبیعی در کائنات وجود داشته باشند.

شرح تصویر: کرم‌چاله بین یک سیاه‌چاله و یک سپیدچاله

عده‌ای دیگر بر این باورند که کرم‌چاله‌های بسیاری با مهبانگ (بیگ‌بنگ) شکل گرفته‌اند و در کائنات پراکنده‌ و منتظرند ما کشفشان کنیم.

برخی دیگر فکر می‌کنند سیاه‌چاله‌های عظیم ممکن است در اصل کرم‌چاله‌ باشند.

نظر گروهی دیگر این است که کرم‌چاله‌ها نه در ابعاد فضایی بلکه در سطح ریزاتمی و کوانتومی وجود دارند و مثل شبکه‌ به‌هم‌پیوسته تونل‌های بسیار ظریف، ذرات ریزاتمی را کنار هم نگه می‌دارند.

خلاصه اینکه، شرایط تشکیل کرم‌چاله‌ای که انسان بتواند از آن بگذرد، همچنان موضوع کاوش و پژوهش نظری است اما می‌دانیم که سیاه‌چاله وجود دارد، می‌دانیم که ماده عجیب‌غریب به اندازه اسمش عجیب و غریب نیست چون آن را در آزمایشگاه مشاهده کرده‌ایم. می‌دانیم از نظر تئوری این ماده می‌تواند به ما کمک کند سپیدچاله ایجاد کنیم و می‌دانیم که محاسبات ریاضی، خم و تا کردن توری فضا-زمان را برای میان‌بر زدن در کیهان میسر می‌بینند.

اما فعلا، هم علم هم داستان‌های علمی-تخیلی، باید همچنان باید مشغول کاوش در ریاضیات سیاه‌چاله، ماده عجیب‌غریب و میراث غنی معادلات میدان اینشتین باشند.

منبع: BBC