کرم چاله؛ تونلی اسرارآمیز برای سفر در دل فضا، زمان - رنتوتریپ

کرم چاله از مجذوب نماینده ترین مفاهیم در فیزیک و کیهان شناسی مدرن به شمار می رود. این ساختارهای فرضی به عنوان میان برهایی در فضا-زمان عمل می نمایند و دو ناحیه دور از دنیا یا حتی دو دنیا متفاوت را به هم پیوند می دهند. کرم چاله ها که محبوبیت آن ها را باید به داستان های علمی-تخیلی نسبت داد و به وسیله مدل های ریاضی پیشرفته در نسبیت عام هم پشتیبانی می شوند، درک ما را از فضا-زمان، مفهوم علیت و آنچه که ممکن است در دوردست های علم کیهانی امکان پذیر باشد، به چالش می کشند.

کرم چاله چیست؟

کرم چاله را باید یک گذرگاه نظری در فضا-زمان دانست که می تواند میان برهایی را برای سفرهای طولانی در سراسر کیهان ایجاد کند. کرم چاله که به عنوان پل اینشتین-روزن هم شناخته می گردد، در حقیقت راهکاری برای معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین به شمار می رود. این پدیده هنوز تنها به صورت ریاضی وجود دارد اما اگر کرم چاله ها واقعی باشند، می توانند دو نقطه دور در فضا-زمان دنیا ما یا حتی در دنیا های مختلف را به هم متصل نمایند و سفر سریع میان آن ها را ممکن سازند.

همان طور که نام دیگر کرم چاله نشان می دهد، ایده آن از کار آلبرت اینشتین (Albert Einstein) همراه با فیزیک دان ناتان روزن (Nathan Rosen) در سال 1935 میلادی سرچشمه می گیرد. این دانشمندان پیشنهاد کردند که یک پل (Bridge) می تواند بین دو نقطه جداگانه در فضا-زمان وجود داشته باشد که هرچند بسیار ناپایدار است و احتمالا فورا فرو می ریزد، اما اگر به وسیله نوعی ماده عجیب (Exotic Matter)، یک ماده نظری با چگالی انرژی منفی، پشتیبانی گردد، امکان پذیر خواهد بود.

برای درک بهتر مفهوم کرم چاله، دو شهر را در دو سوی مخالف یک کوه تصور کنید. مردم این شهرها برای رسیدن به یکدیگر احتمالا باید تمام مسیر کوه را دور بزنند. اما اگر بخواهند سریع تر به آن جا برسند، می توانند یک تونل مستقیم از میان کوه حفر نمایند و یک راه میان بر بسازند. این ایده پشت یک کرم چاله است. کرم چاله مانند تونلی میان دو نقطه دور در دنیا ماست که زمان سفر از یک نقطه به نقطه دیگر را کاهش می دهد.

بدین ترتیب به جای سفر میلیون ها ساله از یک کهکشان به کهکشان دیگر، در شرایط مناسب، از نظر تئوری می توان با استفاده از یک کرم چاله زمان سفر را به چند ساعت یا چند دقیقه کاهش داد. با توجه به اینکه کرم چاله ها نشان دهنده میان برهایی در ساختار فضا-زمان هستند، حتی می توانند مانند ماشین های زمان عمل نمایند. بدین ترتیب حتی ممکن است از یک انتهای کرم چاله در زمانی زودتر از زمانی که وارد آن شده اید، خارج شوید!

شاید چنین چیزی بسیار عجیب و گیج نماینده به نظر برسد اما در حالی که دانشمندان هیچ مدرکی مبنی بر وجود کرم چاله ها در دنیا ما ندارند، چنین پدیده های نظری، ابزارهای خوبی برای یاری به اخترفیزیکدانان برای تفکر در خصوص فضا-زمان هستند و حتی ممکن است به پرسش های قدیمی درباره شکل دنیا پاسخ دهند.

خواندنی ها

راهنمای ساخت کرم چاله؛ یک ماموریت غیرممکن

شروع مفهوم کرم چاله

کرم چاله ها برای نخستین بار در سال 1916 به صورت تئوری مطرح شدند، هرچند در آن موقع این نام را نداشتند. لودویگ فلام (Ludwig Flamm) فیزیکدان اتریشی، هنگام آنالیز راهکار فیزیک دان دیگری برای معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین، متوجه شد که رها حل دیگری هم ممکن است. او یک سفیدچاله به عنوان معکوس زمانی و نظری یک سیاهچاله را توصیف کرد. ورودی های هر دو سیاه چاله و سفیدچاله می توانند به وسیله یک مجرای فضا-زمان به هم متصل شوند.

در سال 1935، اینشتین و روزن از نظریه نسبیت عام برای شرح بیشتر این ایده استفاده کردند و وجود پل هایی را در میان فضا-زمان پیشنهاد دادند. این پل ها دو نقطه مختلف را در فضا-زمان به هم متصل می نمایند و از نظر تئوری میانبری ایجاد می نمایند که می تواند زمان و مسافت سفر را کاهش دهد و بدین ترتیب پل های اینشتین-روزن یا کرم چاله نامیده شدند.

ساختار کرم چاله

با وجود فرضی بودن کرم چاله ها، ساختارشان در مدل های نظری به خوبی تعریف شده و اجزای اصلی آن ها به صورت زیر است.

دهانه ها

هر کرم چاله دو دهانه دارد که به عنوان نقاط ورود و خروج عمل می نمایند. این دهانه های ورودی و خروجی معمولا به عنوان دهانه های کروی در فضا-زمان تصور می شوند که می توانند منطقه ها دوردست در یک دنیا را به هم متصل نمایند یا دنیا های کاملا متفاوتی را به هم پیوند دهند. دهانه ها به احتمال زیاد کروی خواهند بود.

گلوگاه

گلوگاه تونل یا مجرایی است که دو دهانه را در یک کرم چاله به هم متصل می نماید. این ناحیه نشان دهنده حداکثر انحنای فضا-زمان است و باریک ترین بخش کرم چاله به شمار می رود. هندسه گلوگاه، پایداری و قابلیت عبور کرم چاله را معین می نماید و جایی است که به ماده عجیب برای پایداری احتیاج دارد. گلوگاه ممکن است یک امتداد مستقیم باشد، اما می تواند پیچ و تاب هم داشته باشد و مسیری طولانی تر از آنچه یک مسیر مرسوم تر ممکن است احتیاج داشته باشد، طی کند.

ماده عجیب

برای پایدار و باز نگه داشتن یک کرم چاله، مدل های نظری به ماده عجیب با چگالی انرژی منفی احتیاج دارند. این ماده عجیب و هنوز تئوری، با نیروهای گرانشی که باعث فروپاشی کرم چاله می شوند، مقابله می نماید تا آن را پایدار نگه دارد. وجود چنین ماده ای در حد برآورد است و هنوز اثبات نشده است.

منطقه ها گذار

اطراف دهانه ها و گلوگاه ها، منطقه ها گذار وجود دارند که در آن ها هندسه فضا-زمان از حالت مسطح به عنوان فضای معمولی به حالت بسیار خمیده در درون کرم چاله تغییر می نماید. این منطقه ها در معین نیروهای جزر و مدی وارد شده به اجسامی که وارد یا از کرم چاله خارج می شوند، بسیار اهمیت دارند.

یک کرم چاله با جرم منفی را می توان با نحوه تأثیر گرانش آن بر نوری که از آن عبور می نماید، تشخیص داد. بعضی از راهکار های نسبیت عام، وجود کرم چاله هایی را که دهانه هر یک یک سیاهچاله است، مجاز می دانند. با این حال، یک سیاهچاله طبیعی که در اثر فروپاشی یک ستاره در حال مرگ تشکیل می گردد، به خودی خود کرم چاله ای ایجاد نمی نماید.

علم یا واقعیت؟

به علت ویژگی های جالب آن، بسیاری از نویسندگان علمی-تخیلی از کرم چاله ها در رمان ها و فیلم ها استفاده می نمایند. با این حال، دانشمندان هم به مقدار نویسندگان مجذوب ایده کرم چاله ها شده اند.

با وجود آنکه پژوهشگران هرگز کرم چاله ای را در دنیا ما پیدا ننموده اند، اغلب کرم چاله ها در راهکار های معادلات مهم فیزیک توصیف می شوند. برجسته ترین آن ها، راهکار های معادلات نظریه فضا-زمان و نسبیت عام اینشتین است که شامل کرم چاله ها می گردد. این نظریه شکل دنیا و شیوه حرکت ستارگان، سیارات و دیگر اجرام در سراسر کیهان را توصیف می نماید. با توجه به اینکه نظریه اینشتین بارها و بارها آزمایش شده و هر بار درست بوده است، بعضی از دانشمندان انتظار دارند که کرم چاله ها هم در جایی از دنیا وجود داشته باشند.

اما شماری از دیگر دانشمندان فکر می نمایند که کرم چاله ها به این علت نمی توانند وجود داشته باشند که بسیار ناپایدار خواهند بود. کشش مداوم گرانش بر هر جسمی در دنیا، از جمله زمین، اثر می گذارد. بنابراین گرانش بر کرم چاله ها هم تأثیر می گذارد. دانشمندانی که درباره کرم چاله ها تردید دارند، معتقدند که پس از مدت کوتاهی، مرکز کرم چاله تحت تأثیر گرانش خود فرو می ریزد، مگر اینکه نیرویی از درون کرم چاله به سمت بیرون فشار بیاورد تا آن را خنثی کند. محتمل ترین راه برای انجام این کار، استفاده از چیزی است که انرژی منفی نامیده می گردد، که با گرانش مقابله و کرم چاله را تثبیت می نماید.

با این وجود، به گفته دانشمندان انرژی منفی فقط در مقادیر بسیار کمی می تواند ایجاد گردد و بدین ترتیب نمی تواند گرانش خود کرم چاله را خنثی نمایند. از سویی این احتمال اما وجود دارد که مه بانگ (بیگ بنگ) در ابتدای دنیا، کرم چاله های ریز و کوچکی را با مقادیر کمی انرژی منفی ایجاد نموده باشد و با گذشت زمان و انبساط دنیا، این کرم چاله ها کشیده شده باشند.

تا به امروز، کرم چاله ها صرفا به صورت نظری به جای مانده اند و هیچ مدرک تجربی برای اثبات وجود آن ها یافت نشده است. با این حال، پژوهش ها درباره ماهیت گرانش، مکانیک کوانتومی و فضا-زمان ادامه دارد. اکتشافاتی مانند امواج گرانشی و تصویربرداری از سیاهچاله ها، توانایی رو به رشد ما را در کاوش پدیده های کیهانی سخت نشان می دهد. از جمله در سال 2020، فیزیکدانان مدل های تازهی را پیشنهاد کردند که ممکن است کرم چاله های قابل عبور را بدون نقض قوانین شناخته شده فیزیک ممکن سازند، اما چنین مدل هایی هنوز تا به امروز آزمایش نشده اند.

بنابراین به طور کلی می توان گفت که وجود کرم چاله هنوز به صورت قطعی و واقعی اثبات نشده است، اما موضوعی موهومی و غیرواقعی هم نیست و مدل های نظری و ریاضیاتی فیزیک به وجود چنین ساختارهایی دلالت دارند.

فیزیک پشت کرم چاله

کرم چاله ها از ریاضیات پیچیده معادلات میدان اینشتین ناشی می شوند که بیان می نمایند جرم و انرژی چگونه تار و پود فضا-زمان را پیچ وتاب می دهند و دستخوش اعوجاج می نمایند. در این هندسه اعوجاج یافته، از نظر تئوری فضا-زمان می تواند به گونه ای تا گردد که یک تونل بین دو بخش روی هم افتاده شکل بگیرد و دو مکان و زمان به هم متصل شوند.

دو نوع اصلی کرم چاله وجود دارند. کرم چاله های قابل گذر که انسان ها یا فضاپیماها می توانند از میان این کرم چاله های فرضی عبور نمایند و برای باز و پایدار نگه داشتن آن ها به ماده عجیب احتیاج است. کرم چاله های غیرقابل گذر که ناپایدار یا میکروسکوپی هستند و پیش از آنکه چیزی بتواند از آن ها عبور کند، فرو می ریزند.

برای نمونه مدل معروف موریس-تورن (Morris-Thorne) که در سال 1988 ارائه شد، طرحی احتمالی را برای یک کرم چاله قابل عبور ترسیم می نماید، اما چنین طرحی فقط تحت شرایط بسیار حدسی و غیرواقعی وجود دارد.

کرم چاله ها و امکان سفر در زمان

بعضی از فیزیک دانان پیشنهاد می نمایند که اگر یک دهانه کرم چاله با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند و سپس به موقعیت اصلی خود بازگردد، زمان در هر دهانه به علت اتساع زمان (مفهومی از نسبیت خاص) متفاوت می گذرد. در تئوری، این موضوع می تواند به یک شیء یا شخص امکان دهد تا با ورود به یک انتهای کرم چاله و خروج از انتهای دیگر، به گذشته سفر کند.

با این حال، چنین مفاهیمی همچنان در حد حدس و گمان باقی می مانند و پرسش های مهمی درباره علیت و پارادوکس ها، مانند پارادوکس پدربزرگ معروف، در این زمینه مطرح می گردد که بیان می نماید اگر به گذشته سفر کنید و از وجود خود جلوگیری کنید چه اتفاقی می افتد؟

چالش ها و محدودیت های وجود کرم چاله

با وجود مجذوب نمایندهیت مفهوم کرم چاله در داستان های علمی-تخیلی، وجود چنین ساختارهایی با چندین چالش نظری عمده روبه رو است که از جمله مهم ترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره نمود.

پایداری

کرم چاله ها به طور طبیعی تحت نیروهای گرانشی فرو می ریزند، مگر اینکه به وسیله ماده عجیب، که وجود آن ثابت نشده است، تثبیت شوند.

مقدار

اگر کرم چاله ای بتواند به طور طبیعی وجود داشته باشد ممکن است میکروسکوپی باشد، یعنی بسیار کوچک تر از یک اتم که بدین ترتیب برای سفر میان دو نقطه غیرقابل استفاده خواهد بود.

تابش

تابش پرانرژی درون یک کرم چاله می تواند هر چیزی را که سعی در عبور از آن دارد، نابود کند و این موضوع با مفهوم سفر سریع در فضا-زمان در تناقض است.

علیت و پارادوکس ها

اگر کرم چاله ها امکان سفر در زمان را فراهم می کردند، مبانی فیزیک را به چالش می کشیدند و به طور بالقوه علیت را نقض می کردند.

تفاوت کرم چاله و سیاهچاله

کرم چاله ها و سیاهچاله ها هر دو پیش بینی های مجذوب نمایندهی از نظریه نسبیت عام اینشتین محسوب می شوند اما اساسا به پدیده های متفاوتی در کیهان اشاره دارند. سیاهچاله ناحیه ای در فضاست که گرانش آن به مقدار ای شدید است که هیچ چیز، حتی نور نمی تواند از آن فرار کند. این جرم زمانی تشکیل می گردد که یک ستاره بزرگ، تحت گرانش خود فرو می ریزد و ماده را در یک نقطه بی نهایت چگال به نام تکینگی فشرده می نماید که افق رویداد آن را دربر گرفته است؛ مرزی که فرار از آن غیرممکن است. سیاهچاله ها به خوبی به وسیله شواهد فیزیکی، از جمله تشخیص امواج گرانشی و تصویربرداری مستقیم از سیاهچاله، پشتیبانی می شوند.

دیدنی ها

چگونه از سیاهچاله عکس می گیرند؟

در مقابل، کرم چاله یک ساختار فرضی تونل-مانند است که می تواند دو نقطه جداگانه را در فضا-زمان به هم پیوند دهد و به طور بالقوه امکان ایجاد میان برهایی بین منطقه ها دوردست کیهان یا حتی دنیا های مختلف را فراهم کند. تا کنون برخلاف سیاهچاله ها، ماهیت کرم چاله ها صرفا به صورت نظریه به جای مانده و هیچ مدرک تجربی وجود آن ها را تأیید ننموده است. مفهوم کرم چاله از راهکار های معادلات میدان اینشتین، مانند پل اینشتین-روزن، ناشی می گردد، اما حفظ یک کرم چاله پایدار و قابل گذر، به ماده عجیب با چگالی انرژی منفی احتیاج دارد که این هم هنوز در فیزیک مشاهده یا درک نشده است.

بدین ترتیب در حالی که سیاهچاله ها وجود دارند و به طور گسترده مطالعه می شوند، کرم چاله ها همچنان ساختارهایی حدسی هستند که درک ما از فیزیک را به چالش می کشند. سیاهچاله ها به عنوان تله های کیهانی عمل می نمایند که هیچ چیز نمی تواند از آن ها بازگردد، در حالی که کرم چاله ها، در صورت وجود، می توانند به عنوان میان برهای کیهانی عمل نمایند و به طور بالقوه امکان سفر سریع تر از نور را در فضا-زمان فراهم نمایند. در عین حال مطالعه هر دو پدیده همچنان مرزهای فیزیک نظری و آگاهی ما را از دنیا توسعه می دهد.

نزدیک ترین کرم چاله به زمین

همان طور که اشاره شد تا کنون هیچ کرم چاله ای در هیچ جای کیهان کشف نشده است و بنابراین نمی توان از مفهوم نزدیک ترین کرم چاله به زمین سخن گفت. در حالی که نسبیت عام امکان ریاضی کرم چاله ها را می پذیرد، آن ها همچنان ساختارهای نجومی نظری و بدون شواهد تجربی باقی می مانند و تعریف مفهوم دوری و نزدیکی برای آن ها هنوز جایگاهی ندارد.

در حالی که محققان در محیط های آزمایشگاهی و با استفاده از رایانه های کوانتومی، نمونه هایی از کرم چاله ها را ایجاد نموده اند، مانند دستگاه هایی که می توانند میدان های مغناطیسی را به وسیله فضا به شیوه ای مشابه کرم چاله منتقل نمایند، اما این ها کرم چاله های واقعی در فضا-زمان نیستند. بدین ترتیب هرچند این آزمایش ها برای کاوش در اصول فیزیک ارزشمند هستند، اما وجود یا امکان وجود کرم چاله های واقعی را نشان نمی دهند.

کرم چاله ها در فرهنگ عامه

کرم چاله ها برای دهه ها تخیل نویسندگان و فیلمسازان علمی-تخیلی را به خود جلب نموده اند. این پدیده نظری به طور برجسته در فیلم هایی مانند میان ستاره ای (Interstellar)، استارگیت (Stargate) و دانی دارکو (Donnie Darko) و در برنامه های تلویزیونی مانند پیشتازان فضا (Star Trek) و دکتر هو (Doctor Who) حضور دارند. در این داستان ها، کرم چاله ها اغلب به عنوان ابزارهای داستانی مناسب برای کاوش فضا یا سفر در زمان استفاده می شوند.

در فرهنگ عامه، کرم چاله ها اغلب به عنوان پورتال هایی به تصویر کشیده می شوند که امکان سفر فوری در فواصل گسترده یا حتی زمان را فراهم می نمایند. می توان گفت مطالعه کرم چاله ها در لبه علم واقع شده است و به همین علت الهام بخش تحقیقات علمی و داستان سرایی های خلاقانه است. به ویژه داشتن مبنای علمی و ریشه در فیزیک نظری، به آن ها حس باورپذیری می دهد.

جمع بندی

کرم چاله ها یکی از مجذوب نماینده ترین و اسرارآمیزترین مفاهیم در فیزیک مدرن و در فرهنگ عامه به شمار می روند. این پدیده های نظری، شکاف میان قوانین شناخته شده نسبیت عام و قابلیت های نظریه کوانتومی را پر می نمایند. اگرچه کرم چاله هنوز در حد حدس و گمان است، اما مطالعه آن ها مرزهای دانش ما را توسعه می دهد و ما را به تصور امکانات تازه برای سفرهای فضایی و بافت خود واقعیت ترغیب می نماید.

ممکن است اکتشافات آینده در فیزیک روزی ما را به پاسخ به این سوال نهایی نزدیک تر کند که آیا کرم چاله ها واقعی هستند و آیا می توانیم از آن ها برای سفر در فضا-زمان استفاده کنیم؟

عکس کاور: طرحی گرافیکی از دهانه یک کرم چاله

Credit: Mark Garlick/Science Photo Library via GettyImages

منابع: Space, Britanica, The Conversation