راهنمای ساخت کرم‌چاله؛ یک ماموریت غیرممکن
فرض کنید از اسپیس ایکس یک سفینه‌ی فضایی (آخرین مدل) خریده‌اید و می‌خواهید تور پنج ساله‌ای در کهکشان را شروع کنید. اما یک مشکل بزرگ وجود دارد؛ فضا بزرگ است، آنقدر بزرگ که حتی با سریع‌ترین سفینه‌‌های قابل تصور هم، چندین سال طول می‌کشد تا با پرسه در خلأ بین ستاره‌ای به نقطه‌ای جالب برسید. پس راه‌حل چیست؟ چاره کار ساخت یک کرم‌چاله (Wormhole) است!
- روش اول: پُل انیشتین – روزن (The Einstein-Rosen Bridge)
- مشکلات ساخت کرم‌چاله با پُل انیشتین – روزن
- روش دوم: پُل موریس – تورن (The Morris-Thorne Bridge)
- مشکلات ساختِ کرم‌چاله با پُل موریس – تورن
- روش سوم: پُل انرژی مرموز (The Exotic Energy Bridge)
- کلام آخر
روش اول: پُل انیشتین – روزن (The Einstein-Rosen Bridge)
کرم‌چاله یک میانبر است! یک تونل خاص که پلی در فضازمان به حساب می‌آید. به کمک آن می‌توانید از سفر فضایی خسته‌کننده و غرق در سیاهی مطلق فرار کنید و به سرعت به چیزهای سرگرم‌کننده برسید. وجود کرم‌چاله‌ها همواره جزء اصلی داستان‌های علمی-تخیلی بوده‌اند، اما باید بدانید که کرم‌چاله ریشه در واقعیت‌های علمی هم دارد. بنابراین، در این مقاله قصد داریم تا راهنمای ساخت یک کرم‌چاله را پیش روی شما قرار دهیم تا با استفاده از آن، راه خود را در فضای بی‌کران کوتاه‌تر و جذاب‌تر کنید!
در اولین قدم باید بدانید که مفهوم کرم‌چاله در ریاضیات نسبیت عام (GR) کاملاً پوشش داده شده است. درواقع نسبیت عام، زبان گرانش در نظر گرفته می‌شود که با وجود نبوغ آلبرت انیشتین ریاضیات نسبتاً سَرراستی دارد. به طور کلی انیشتین در نظریه‌ی نسبیت عام اثبات کرد که آن چیزی که ما به عنوان نیروی جاذبه حس می‌کنیم، درواقع همان احساسی است که در هنگام حرکت از بین برآمدگی‌ها و موج‌های (بالا و پایین‌های) فضازمان درک می‌کنیم.
خمش فضازمان ماهیت گرانش را واضح می‌کند!
البته لازم به ذکر است که همه‌ی این برآمدگی‌ها و موج‌ها از توزیع ماده و انرژی در همان فضازمان ناشی می‌شوند. به بیان دیگر ماده به فضازمان می‌گوید که چگونه خم شود؛ در عین حال خمش فضازمان حرکت ماده را تعیین می‌کند!
همانطور که در شکل هم مشخص است، ماده (در اینجا زمین) می‌تواند فضازمان را خم کند.
حال اگر بخواهیم یک تونل (کرم‌چاله) در فضازمان بسازیم، باید مقدماتی از ماده یا انرژی را ایجاد کنیم که فضازمان را مطابق آنچه که مطرح شد، خم کند و در عین حال اطمینان حاصل کنیم که با خمش فضازمان تونل مدنظر ما ظاهر می‌شود. درواقع شما می‌توانید با استفاده از نسبیت عام به عنوان راهنما، راه‌حلی برای معادلات آن پیدا کنید که امکان وجود کرم‌چاله را فراهم کند. در نگاه اول، ممکن است فکر کنید که ساده‌ترین راه برای ساختن کرم‌چاله، ساختن یک سیاهچاله است.
سیاهچاله ها مناطقی از فضازمان هستند که از بقیه‌ی کیهان جدا شدهاند و حتی نور هم نمی‌تواند از دست آن‌ها فرار کند! درواقع می‌توان سیاهچالهها را سوراخ‌هایی در خود فضازمان در نظر گرفت.
همانطور که می‌دانید سیاهچاله، نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت یا به عبارتی تکینگی (singularity) است که با مانعی یک طرفه، به نام افق رویداد (event horizon)، در هم پیچیده شده است. هنگامی که قصد عبور از افق رویداد یک سیاهچاله را داشته باشیم، هجوم گرانش چنان طاقت فرسا است که هیچ چیز، حتی نور، هم نمی‌تواند فرار کند و همه چیز به داخل آن کشیده می‌شود!
رفتن به داخل سیاهچاله چیزی فراتر از سفری یک طرفه است؛ درواقع این سفر، قدم نهادن به داخل بزرگراهی، مستقیم به جهنم (تکینگی) است. تضمین می‌کنیم که پس از ورود به سیاهچاله، به تکینگی ابدی خواهید رسید!
تصویری واقعی از سیاهچاله
راه‌حل سیاهچاله در نسبیت عام، در پاسخ به سوالی ساده ارائه می‌شود؛ چه می‌شود اگر ماده را به چنان چگالی بالایی برسانیم که هیچ نیروی دیگری توانایی ایستادگی در مقابل آن را نداشته باشد؟ بینگوووووووووو؛ یک سیاهچاله خواهیم داشت!
اما بخش جالب‌تر ماجرا اینجاست که وجود سیاهچالهها تنها پاسخ به این سوال نیستند. درواقع ریاضیات حاکم بر معادلات نسبیت عام امکان وجود چیزی کاملا معکوس با سیاهچاله را هم فراهم می‌کند. چیزی که به نام سفیدچاله (White hole) شناخته می‌شود.
به طور کلی سفیدچاله‌ها هم دارای تکینگی در مرکز خود هستند، با این تفاوت که افق رویداد آن‌ها برعکس سیاهچاله عمل می‌کند. به عبارت دیگر هیچ چیزی نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود و هر آنچه در داخل آن شکل گیرد، سریع‌تر از سرعت نور به بیرون پرتاب می‌شود!
نمایی انتزاعی از سیاهچاله، سفیدچاله و کرم‌چاله
ممکن است با خود فکر کنید، این موضوعات چه ربطی به سیاهچاله دارد؟ که در پاسخ باید اذعان داشت که با نگاه کردن به ریاضیات نسبیت عام، وقتی یک سیاهچاله را تشکیل می‌دهید، به طور خودکار یک سفیدچاله به آن متصل می‌شود! در همین راستا، طبیعتا راه ارتباطی یک جفت سیاهچاله و سفیدچاله، کرم‌چاله‌ای با پشتوانه‌ی قوی ریاضیاتی خواهد بود. این پُل‌ها به افتخار اینشتین و همکارش ناتان روزن، پل‌های انیشتین-روزن (یا اگر فکر می‌کنید خیلی خَفن هستید، متریک تعمیم‌یافته‌ی شوارتزشیلد (extended Schwarzschild metric)) نامیده می‌شوند.
مشکلات ساخت کرم‌چاله با پُل انیشتین – روزن
با این حال، دو مشکل کوچک در این روشِ ساخت کرم‌چاله وجود دارد! اول اینکه، می‌توان بیان کرد که با احتمال بسیار بالایی سفیدچاله‌ها وجود ندارند، چراکه از نظر انرژی بسیار ناپایدار هستند. درواقع مشکل در افق رویداد معکوس آن‌هاست. چراکه هرگز نمی‌توانند چیزی از بیرون را در درون خود داشته باشند و دائماً همه چیز را به بیرون پرتاب می‌کنند.
با مرگ ستاره‌هایی در محدوده‌ی جرمی مشخص، یک سیاهچاله تشکیل می‌شود. درواقع سیاهچاله شدن آخرین مرحله‌ی زندگی بعضی از ستاره‌ها است! البته خورشید ما جزو این موارد نیست و برای تبدیل شدن به سیاهچاله خیلی کوچک است!
یک سفیدچاله دقیقاً معادل با سیاهچاله است، با این تفاوت که در زمان به عقب حرکت می‌کند. بنابراین تشکیل و تکامل یک سفیدچاله هم شبیه به سیاهچاله است. درواقع سفیدچاله آنقدر جرم (یا انرژی) به بیرون پرتاب می‌کند تا به اندازه‌ی کافی جرم از دست دهد و به طور خود به خودی ستاره‌ای تشکیل شود! البته باید بدانید که شما نمی‌توانید یک ستاره بسازید، آن هم به این دلیل که از آن خوشتان می‌آید؛ چراکه چنین رویه‌ای قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند. پس ساخت سفیدچاله شدنی نیست و بدون وجود جفت سیاهچاله و سفید چاله عملا کرم‌چاله‌ای هم به وجود نخواهد آمد.
ازجمله دیگر مشکلات پُل انیشتین-روزن این است که ورودی کرم‌چاله خود در افق رویداد سیاهچاله قرار دارد؛ بنابراین باید با حرکت از یک محدوده‌ی یک طرفه، سفر خود به درون کرم‌چاله را ادامه دهید. مساله این است که ماهیت افق رویداد به این شکل است که شما نمی‌توانید پس از ورود به آن از آن خارج شوید. بنابراین مهم نیست که چه اتفاقی می‌افتد، شما تکینگی را در مرکز خواهید دید و بلعیده خواهید شد. اطلاعات مطرح شده در این قسمت از دل همان ریاضیاتی بیرون می‌آید که در وهله‌ی اول وجود کرم‌چاله را مجاز می‌داند، بنابراین هیچ راهی برای خروج از این تله وجود ندارد!
روش دوم: پُل موریس – تورن (The Morris-Thorne Bridge)
خب، همانطور که مشخص است، وجود ورودی کرم‌چاله بر روی افق رویداد سیاهچاله مشکل آفرین است. بنابراین برای حل این مشکل باید ورودی را خارج از افق رویداد قرار دهیم؛ به این ترتیب، می‌توانیم در تونلِ (به دلایل نامشخصی فیزیکدانان به آن «گلو» (throat) می‌گویند!) کرم‌چاله با خیالی آسوده سفر کنیم و نگرانی‌ای از بابت تکینگی نداشته باشیم. خبر خوب اینکه با استفاده‌ی مجدد از ریاضیات نسبیت عام می‌توان فهمید که اتفاقا ساختن چنین کرم‌چاله‌ای کاملاً ممکن است؛ خبر بد اینکه یک مشکل خیلی خیلی کوچک وجود دارد و آن بحث پایداری است! کرم‌چاله‌ها به طرز عجیبی ناپایدار هستند.
با قرار دادن ورودی کرم‌چاله در بالای افق رویداد، می‌توانیم تونلی کاربردی و پایدار داشته باشیم!
کاملا درست است که شما می‌توانید چیزی (تونلی) بسازید که به دو منطقه‌ی دوردست در فضازمان پل بزند، و البته که می‌توانید با شگفتی و اندکی غرور به هوش و ذکاوت خود نگاه کنید. چراکه تنها کافیست در لحظه (و به فاصله‌ی افتادن یک فوتون در کرم‌چاله) فوراً خود را مانند یک نوار لاستیکی بکشید، از هم جدا کنید و سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنید! بنابراین نیاز به شرط دومی برای ساخت کرم‌چاله وجود دارد و آن اصل پایداری است که به هر چیزی اجازه‌ی عبور از گلوی خود را می‌دهد، بدون اینکه از هم بپاشد. در همین راستا در سال ۱۹۸۸ دو فیزیکدانان به نام‌های مایکل موریس و کیپ تورن با عمیق شدن در ریاضیات نسبیت عام، راهی برای ساختن یک کرم‌چاله‌ی پایدار، کاربردی و قابل عبور را یافتند و آن این است که ورودی کرم‌چاله را بالای افق رویداد قرار دهیم.
مشکلات ساختِ کرم‌چاله با پُل موریس – تورن
برای ساخت یک کرم‌چاله‌ی قابل استفاده و کاربردی تنها به ماده‌ای ساده نیاز دارید که چیزی نیست به جز ماده‌ی منفی (Negative matter) که گاهی اوقات ماده‌ی عجیب (Exotic matter) هم نامیده می‌شود. ماده‌ی منفی، ماده‌ای با جرم منفی است که وقتی در معادلات قرار می‌گیرد، این خاصیت شگفت‌انگیز را دارد که ورودی کرم‌چاله را به اندازه کافی بزرگ کند. در عین حال بی‌ثباتی کرم‌چاله را که ناشی از ماده‌ی عادی است، به خوبی از بین می‌برد.
لازم به تاکید است که ماده‌ی منفی با ضد ماده (ماده‌ای مشابه با ماده‌ی سازنده جهان اما با بار مخالف (Antimatter)) و ماده‌ی تاریک (شکل مرموزی از ماده که بخشی از جهان را تشکیل می‌دهد!) متفاوت است.
ماده‌ی منفی، ماده‌ای با جرم منفی است! تصور کنید که یک توپ بولینگ را بردارید و وزن آن منفی ۶ کیلوگرم باشد؛ یا برای گرفتن یک استیک آبدار از قصابی، هزینه‌ی منفی دو کیلوگرم گوشت را بدهید! به نظر عجیب و غیرمعمول به نظر می‌رسد، اینطور نیست؟
البته، چون عجیب‌غریب است!
تا به حال هیچ نمونه‌ای از ماده منفی در هیچ جای جهان هستی، ظاهر نشده است و اگر روزی چنین ماده‌ای مشاهد شود، هر آنچه در مورد فیزیک می‌دانیم، کاملاً بر هم خواهد خورد. به عنوان مثال، اگر من یک توپِ ساخته شده از ماده منفی به شما بدهم و شما به آن لگد بزنید، در جهت مخالف ضربه شما حرکت می‌کند. اگر آن را رها کنید، به سمت بالا پرواز می‌کند.
وجود ماده‌ی منفی، قوانین بقای تکانه و انرژی را نقض می‌کند!
همچنین اگر ماده‌ی منفی را در کنار ماده‌ی مثبت قرار دهید، ماده‌ی منفی به ماده‌ی عادی فشار می‌آورد، در حالی که ماده‌ی عادی هم به آن فشار وارد می‌کند. در چنین حالتی بدون وجود هیچ نیروی خارجی‌ای با مواد سرعت‌های بی‌نهایت بالا حرکت خواهند کرد. به یاد داشته باشید که وجود ماده‌ی منفی، قوانین بقای تکانه و انرژی را نقض می‌کند و می‌تواند حسابی فیزیک و فیزیکدان‌ها را به دردسر بیاندازد!
روش سوم: پُل انرژی مرموز (The Exotic Energy Bridge)
جهان هستی به انرژی منفی، اجازه‌ی وجود داشتن می‌دهد و همانطور که می‌دانید، انرژی و ماده دو روی یک سکه هستند ( فرمول مشهور E=mc2 نماینده‌ی همین اصل است). در همین راستا جالب است بدانید که در دسترس‌ترین شکل انرژی منفی، در خلاء فضازمان قرار دارد. فیزیک مدرن جهان را از دریچه‌ی علمِ میدان‌های کوانتومی (Quantum fields) می‌بیند که میدان‌های آن در تمام فضازمان غرق شدهاند. میدان‌های کوانتومی موجود در فضازمان، با یکدیگر همپوشانی دارند و به روش‌های پیچیده و جالبی با هم تعامل می‌کنند.
به عنوان مثال، شما می‌توانید به بخش‌های مختلف میدان انرژی دهید تا شروع به حرکت کند، این همان اتفاقی است که در دنیای روزمره ما آن را به عنوان یک ذره‌ی در حال حرکت می‌شناسیم. به طور دقیق‌تر، برای هر ذره شناخته شده در طبیعت، یک میدان متناظر وجود دارد! یک میدانِ فوتونی (که معمولاً به عنوان میدان الکترومغناطیسی شناخته می‌شود)، یک میدان الکترونی، یک میدان کوارک بالا، و غیره.
حال که با ماهیت میدانی فضازمان از دید میدان‌های کوانتومی آشنا شدید، باید بدانید که اگر تکه‌ای از فضازمان را بردارید و همه ذرات آن را حذف کنید، خلاء‌ای کامل همراه با میدان‌های متناظر همه‌ی ذرات برداشته شده، به دست خواهید آورد. از آنجایی که میدان‌ها همواره در حال ارتعاش هستند، مقداری انرژی به شکل خالص در آن‌ها وجود دارد.
این فراوانی بیش از حد انرژی به این معنی است که می‌توانید سناریوهای هوشمندانه‌ای را برای کاهش محلی (نقطه‌ای) انرژی بسازید. تنها کاری که باید انجام دهید این است که هر چیزی غیر از مقدار بی‌نهایت انرژی را به شکل محلی جدا کنید، در چنین حالتی کوپه‌ای انرژی منفی خواهید داشت!
یکی از بخش‌های جزئی و جذاب فیزیک در زمینه‌ی انرژی منفی، بررسی پدیده‌ای تحت عنوان اثر کازیمیر (Casimir effect) است که به افتخار فیزیکدان هلندی هندریک کازیمیر نامگذاری شده است. اگر دو صفحه فلزی موازی را بردارید و آن‌ها را بسیار نزدیک به هم قرار دهید، می‌توانید انواع ارتعاشاتِ بین صفحات را محدود کنید. البته درست است که باز هم مقدار نامتناهی از ارتعاشات در بین دو صفحه وجود دارد، اما مسلما مقدار آن کمتر از ارتعاشات خارج از صفحات است.
نیروی جذبی ظاهر شده بین دو صفحه‌ی موازی اثری از انرژی منفی را نمایش می‌دهد!
در طی این آزمایش با استفاده از ترفندهای دقیق ریاضی می‌توانید این دو مقدارِ بی‌نهایت را از یکدیگر کم کنید و انرژی منفی را کشف کنید که به صورت نیروی جذبی بین صفحات ظاهر می‌شود. اثر کازیمیر پدیده‌ای واقعی است که در آزمایشگاه اندازه‌گیری شده است. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که انرژی منفی یک واقعیت در جهان ماست.
اوه، فراموش کردم، طبیعتا جایی که انرژی منفی وجود داشته باشد، احتمال ایجاد کرم‌چاله‌های پایدار و قابل عبور هم وجود دارد. فقط یک مشکل وجود دارد، باید بزرگترین مساله‌ی حل نشده‌ی فیزیک را حل کنید تا امید به تحقق این آرزو برگردد. فیزیکدانان مطمئن هستند که پاسخ نهایی برای ساختن کرم‌چاله‌ها در قلمرو ناشناخته‌ی گرانش کوانتومی است، علمی که در پیوند مکانیک کوانتومی و نسبیت عام نهفته است.
اثر کازیمیر
نسبیت عام به ما می‌گوید که کرم‌چاله‌ها ممکن است محقق شوند، اما این پدیده تنها در صورتی که شرایط مناسب (یعنی انرژی منفی) پدیدار شود، اتفاق می‌افتد. در همین راستا نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی به ما می‌گوید که چگونه انرژی منفی بسازیم، اما چیزی در مورد جور کردن گرانش با میدان‌ها نمی‌زند و تا به امروز ما هیچ نظریه‌ای در مورد گرانش کوانتومی نداریم.
کلام آخر
در پایان ممکن است جالب باشد که بدانید، تحقیقات در مورد ماهیت میدان‌های کوانتومی در نزدیکی افق رویداد و در اطراف سیاهچالهها نشان داده است که ساختن یک کرم‌چاله پایدار با تغییر شکل آن ممکن است. اما این کرم‌چاله‌ها باید فوق‌العاده کوچک (طولی بزرگ‌تر از ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر نداشته باشد!) باشند.
به طور کلی فیزیکدانان مجذوب کرم‌چاله‌ها (مانند همه‌ی پدیده‌های دیگر در طبیعت) هستند، چراکه می‌توانند از آن‌ها به عنوان آزمایشگاهی قدرتمند برای مطالعه گرانش کوانتومی استفاده کنند. از طرفی وجود چنین پدیده‌ای واقعا جذاب است، بنابراین اگرچه من هنوز برنامه‌ریزی برای سفر به کهکشان آندرومدا را به طور کامل توصیه نمی‌کنم، اما نمی‌توانم این سفر را به عنوان یک احتمال، رد کنم.
منبع: ars TECHNICA
خیلی ممنون . اطلاعات خوبی بود .