کرمچاله چیست

[Alastor]

کرم‌چاله‌های اقلیدسی از این هم عجیب‌تر هستند: آن‌ها در «زمان موهومی» زندگی می‌کنند و به طور ذاتی فرآیندهای مکانیکی کوانتومی مجازی هستند. کرم‌چاله‌های اقلیدسی معمولا مورد علاقه‌ی فیزیکدانان ذرات بنیادی (نظریه‌پردازان میدان‌های کوانتومی) هستند. نمی‌توان تفسیر کلاسیکی مناسبی از رفتار میدان گرانشی کلاسیک در این زمینه بیان کرد و متاسفانه حتی برای درک مشخصات اولیه‌ی این نوع سیاه‌چاله‌ها، باید تاحدود زیادی فیزیک کوانتومی بدانید.

یکی از جنبه‌های شگفت‌انگیز کرم‌چاله‌ها این است: از آن‌جایی که کرم‌چاله‌ها در فضا-زمان مانند «میان‌بر» رفتار می‌کنند، می‌توانند ما را به گذشته ببرند!
این اتفاق تعبیر دیگری از همان جمله‌ی معروف است که می‌گوید: اگر بتوانیم سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنیم، می‌توانیم با گذشته ارتباط برقرار کنیم.

 

[Alastor]

سفر در زمان از طریق کرم‌چاله

سفر در زمان همواره برای ما یک نگرانی بوده است؛ چرا که در دسترس بودن آن، می‌تواند مشکلات بسیاری به وجود بیاورد. مثلا تصور کنید که به گذشته بروید و ناخواسته باعث مرگ پدربزرگتان (قبل از اینکه پدر شما متولد شود) شوید! تکلیف شما چیست؟! شما درگیر پارادوکس پدربزرگ شده‌اید.

سوالی که اکنون مطرح می‌شود این است که آیا واقعاً می‌توان یک کرم‌چاله ساخت و آن را به نوعی تغییر داد تا قابل استفاده در ماشین زمان شود؟

سفر در زمان با کرم‌چاله
سفر در زمان با کرم‌چاله
ماجراهای علمی تخیلی زیادی به پدیده‌ی کرم‌چاله و عبور از این دروازه‌های فضایی پرداخته‌اند، اما انجام چنین سفرهایی در دنیای واقعی بسیار پیچیده‌تر از فیلم‌ها است.
اولین مشکل این سفرها، اندازه‌ی کرم‌چاله‌ها است! در حال حاضر اندازه‌ی کرم‌چاله‌ها تقریبا ۱۰ تا ۳۳ سانتی‌متر پیش‌بینی می‌شود. هرچند با گسترش جهان می‌توانیم به بزرگ‌تر شدن آن‌ها امید داشته باشیم.

از طرف دیگر ساختار هندسی کرم‌چاله‌ها به طور ذاتی ناپایدار است. تنها ماده‌ای که می‌تواند برای تثبیت آن‌ها در برابر نابودی استفاده شود، ماده‌ای است که حداقل در بعضی از چارچوب‌های مرجع، چگالی انرژی منفی داشته باشد. هیچ ماده‌ی کلاسیکی این ویژگی را ندارد، اما ممکن است نوسانات کوانتومی در میدان‌های مختلف بتوانند از پس آن بربیایند.

 

[Alastor]

ستیون هاوکینگ معتقد بود هرچند که کرم‌چاله‌ها می‌توانند ایجاد شوند، اما نمی‌توانند برای سفر در زمان مورد استفاده قرار بگیرند. او مطرح کردن ماده‌ی عجیب و غریبی، تثبیت کرم‌چاله در برابر ناپایداری خودش را به بحث گذاشت. هاوکینگ استدلال کرد که با قرار دادن یک ذره در کرم‌چاله، ساختار آن به‌سرعت بی‌ثبات می‌شود تا نتوانیم از آن استفاده کنیم. این مفهوم با نام معیار حفاظت از زمان‌بندی (Chronology Protection Conjecture) شناخته شده است.

نظریه‌ کرم‌چاله بسیار جذاب است و به نظر می‌رسد می‌تواند راه‌حل معتبری برای معادلات اینشتین باشد؛ هرچند که تاکنون شواهد تجربی برای آن به دست نیامده است. این مسئله نباید نویسندگان علمی-تخیلی را در استفاده از آن ناامید کند.

 

[Alastor]

چه‌چیزی کرم‌چاله را متفاوت می‌کند؟

ویلیام ای. هیسکوک (William A. Hiscock)، استاد فیزیک دانشگاه بوستون مونتانا و مدیر کنسرسیوم فضایی مونتانا است. هیسکوک اضافه می‌کند: «کرم‌چاله، اتصالی تونل‌مانند در بین فضا-زمان است، بسیار شبیه به یک تونل واقعی که توسط کرم‌ها در سیب ایجاد شده باشد. در حال حاضر، کرم‌چاله‌های فضا-زمان تنها ساختارهایی نظری، حاصل از نسبیت عام هستند و مدارک تجربی برای اثبات وجود آن‌ها یافت نشده است.
با این وجود، فیزیکدانان نظری ویژگی‌های ریاضیاتی فضا-زمان‌هایی که حاوی کرم‌چاله‌ها هستند را به دلیل خواص غیرمعمول آن‌ها مطالعه می‌کنند. مطالعه‌ی این ساختارهای هندسی عجیب و غریب می‌تواند به تشخیص بهتر مرزهای رفتاری مجاز در نظریه نسبیت عام کمک کند. همچنین ممکن است بینش‌هایی را درباره‌ی اثرات مربوط به گرانش کوانتومی ارائه دهد.

کرم‌چاله دارای دو دهانه است که توسط «گلو» به یکدیگر متصل می‌شوند
کرم‌چاله دارای دو دهانه است که توسط «گلو» به یکدیگر متصل می‌شوند
یک کرم‌چاله دارای دو دهانه است که توسط «گلو» به یکدیگر متصل می‌شوند و مسیری را فراهم می‌کند که مسافر می‌تواند با آن به یک نقطه‌ی دور برود. از نظر توپولوژیکی، مسیری که از میان کرم‌چاله می‌گذرد نسبت به مسیرهای دیگری که می‌توانند به همان مقصد برسند، متفاوت است.

اما از نظر توپولوژیکی، چه چیزی متفاوت است؟
اگر یک مورچه بخواهد از یک طرف سیب به طرف دیگر آن بخزد، مسیرهای زیادی روی سطح وجود دارد که نقطه‌ی شروع را به مقصد متصل کنند. این مسیرها از لحاظ توپولوژیکی متمایز نیستند: می‌توان یک قطعه رشته‌ی کشسان که در نقاط شروع و پایان ثابت شده است و در امتداد یکی از این مسیرها قرار دارد را، روی سطح کشید تا روی هر مسیر قرار بگیرد. اکنون تصور کنید که مورچه به جای آن مسیرها، از طریق یک کرم‌چاله در سیب بخزد. قطعه رشته‌ای که از طریق کرم‌چاله عبور می‌کند نمی‌تواند به راحتی حرکت کند و در کنار یکی از مسیرهای سطح (یا از طریق یک کرم‌چاله‌ی دیگر با همان نقطه پایان، اما مسیر متفاوت) قرار گیرد.

 

[Alastor]

چگونه با کرم‌چاله سفر کنیم؟

بنابر راه‌حل‌های کلاسیکی سیاه‌چاله‌ها در معادلات اینشتین، کرم‌چاله‌ها می‌توانند وجود داشته باشند. با این حال، این کرم‌چاله‌ها برای مسافرت به‌درد نمی‌خورند؛ زیرا قبل از اینکه هر سفینه‌ فضایی (یا حتی یک پرتو نور) بخواهد از طریق آن‌ها عبور کند، کرم‌چاله فرومی‌ریزد. علاوه بر این، سیاه‌چاله‌هایی که از یک ستاره‌ی درحال‌فروپاشی شکل گرفته‌اند، هیچ ارتباطی با کرم‌چاله ندارند.

ساختار هندسی کرم‌چاله‌ها به طور ذاتی ناپایدار است
ساختار هندسی کرم‌چاله‌ها به طور ذاتی ناپایدار است
کرم‌چاله‌های «قابل عبور» در فضا-زمان کرم‌چاله‌ای یافت می‌شوند؛ جایی که مدت زمان باز بودن کرم‌چاله به اندازه‌ی کافی طولانی باشد تا یک پرتو یا جسم (مثلا سفینه‌ی فضایی) بتواند از آن عبور کند. پرداختن به این نوع موضوعات کرم‌چاله‌ای در نسبیت عام، از زمانی آغاز شد که مایکل موریس و کیپ تورن، از موسسه‌ی فناوری کالیفرنیا، به بررسی خواص عمومی مورد نیاز برای باز شدن کرم‌چاله پرداختند. آن‌ها دریافتند که اگر یک کرم‌چاله با گذر زمان، ثابت و غیرقابل‌تغییر باشد چیزی به نام «ماده عجیب» در خودش دارد. چنین ماده‌ای چگالی انرژی منفی و حتی بیشتر از آن، چگالی فشار منفی (یا کشش) دارد. این ماده «عجیب» نامیده می‌شود، چرا که از تمام ویژگی‌های شناخته‌شده‌ی ماده، اندکی به همراه دارد.

تمام اشکال ماده که تاکنون توسط فیزیکدانان و شیمیدانان شناخته شده است، چگالی انرژی مثبت (یا معادل آن، جرم مثبت) و فشار یا کشش دارند که همواره کمتر از مقدار چگالی انرژی است. برای مثال، در یک نوار لاستیکی کششی، چگالی ۱۰۱۴ یا ۱۰۰ میلیون میلیون بار بیشتر از کشش است. یکی از منابع احتمالی ماده‌ی عجیب، که برای فیزیک نظری شناخته‌شده است، در موقعیت‌های خاص خلأ در نظریه میدان‌های کوانتومی خودش را نشان می‌دهد. این احتمال در بسیاری از تحقیقات فعلی نظیر کرم‌چاله‌ها نقش دارد.

 

[Alastor]

تحقیقات نشان داده است که استفاده از آثار کوانتومی برای باز کردن کرم‌چاله بیشتر از طول مشخصه‌ی مرتبط با گرانش کوانتومی، که به عنوان طول پلانک (حدود ۱۰۳۳ سانتی‌متر) شناخته می‌شود، مشکلاتی پدید می‌آورد. اگر کرم‌چاله کوچک‌تر از این مقدار بود، آن‌گاه نه تنها برای حمل‌و‌نقل سفینه‌ها بی‌فایده بود، بلکه توصیف آن نیز به گرانش کوانتومی نیاز داشت.

تجزیه و‌ تحلیل رفتار میدان‌های کوانتومی در فضا-زمان کرم‌چاله توسط ال.اچ.فورد، رومن، برت تیلور، ویلیام هیسکوک، پاول اندرسون و دیگران نشان داده‌ است: بعید به نظر می‌رسد که اثرات میدان کوانتومی بتواند یک کرم‌چاله ماکروسکوپی را باز نگه دارد. از سوی دیگر، سرگی سوشکوف، دیوید هوشبرگ و پوپو روشی ارائه دادند که با استفاده از اشکال تقریبی برای کرم‌چاله یک میدان اسکالر کوانتیزه پیدا کرده‌اند، البته برای این کار باید تعدادی فرضیه مربوط به پارامترهای (ناشناخته) گرانش کوانتومی را در کار خود داشته باشند.

هرچند در حال حاضر بعید به نظر می‌رسد که طبیعت اجازه‌ی دسترسی به ماهیت کرم‌چاله‌های ماکروسکوپی را به ما بدهد، اما همچنان عدم‌قطعیت کافی در بحث‌ها وجود دارد که به فیزیکدانان نظری امکان می‌دهد به مطالعه‌ی این جنبه‌های عجیب و غریب فضا-زمان بپردازند.

 

[Alastor]

مفهوم کرم‌چاله، از ترکیب سیاه‌چاله و سفیدچاله، هنگامی که سیاه‌چاله‌ها در نقطه‌ی تکینگی به سفیدچاله ختم می‌شوند، تشکیل می‌شود.
افق رویداد یک سیاه‌چاله، گوشه‌ای از فضا است که با ورود به آن، هیچ راهی برای خارج شدن پیدا نمی‌کنید. در حالی که افق رویداد یک سفیدچاله، به‌گونه‌ای رفتار می‌کند که هیچ جسمی نمی‌تواند به آن وارد شود! البته اگر توانسته باشید به طریقی وارد آن شوید، مطمئن باشید سفیدچاله شما را به سمت بیرون پرتاب می‌کند.

با وجود آن که وجود سیاه‌چاله‌ها اثبات شده است، اما تاکنون هیچ مدرکی برای اثبات وجود سفیدچاله‌ها به دست نیامده است.

 

[Alastor]

مت ویسر، استادیار فیزیک دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، در این باره می‌گوید: «کرم‌چاله‌ها تنها موجودات فرضی هستند که در تحلیل نظریِ نظریه گرانش اینشتین (نسبیت عام) مورد استفاده قرار می‌گیرند. هیچ کس تاکنون کرم‌چاله‌ای ندیده، ما حتی نمی‌توانیم مطمئن باشیم که آن‌ها وجود دارند!»
اما دیدن کرم‌چاله‌ها زمانی امکان‌پذیر می‌شود که ما محاسباتی را، که بسیاری از فیزیکدانان معتقدند ممکن است در جهان واقعی وجود داشته باشد، به سرانجام برسانیم.

با توجه به فناوری‌های امروز بشر، حتی اگر بتوانیم به‌زودی کرم‌چاله‌ها را رصد کنیم، اما همچنان توانایی پایدار کردن یا گسترش دادن آن‌ها را در دست نداریم.
با این حال، دانشمندان به مطالعات نظری خود ادامه می‌دهند تا روزی روشی برای استفاده از این میان‌برهای فضایی در زندگی انسان بیابیم.