کرم چاله چیست و چگونه بوجود می آید؟ – به زبان ساده – فرادرس

کرم چاله چیست و چگونه بوجود می آید؟ – به زبان ساده – فرادرس


اینشتین با بیان دو نظریه معروف خود تحول شگرفی در علم فیزیک ایجاد کرد. تا قبل از بیان نظریه نسبیت عام، فیزیک‌دان‌ها گرانش را به عنوان نیرویی می‌شناختند که اجسام با جرم مشخص به یکدیگر وارد می‌کنند. اما نسبیت عام، دیدگاه و باور کلاسیک در مورد گرانش را ویران کرد و آن را با باوری بسیار پیچیده‌تر و جالب‌تر، جایگزین‌ کرد. اینشتین و «روزن» (Rosen) برای نخستین بار در سال ۱۹۳۵ میلادی سعی کردن به پرسش کرم چاله چیست پاسخ دهند. کرم‌چاله، پلی نظری در فضا و زمان خمیده است. با استفاده از کرم‌چاله می‌توان از مکانی به مکانی بسیار دوردست در کیهان در مدت زمان بسیار کوتاهی، شاید به اندازه یک چشم زدن، سفر کرد.

کرم‌چاله‌ها از نظر ریاضی بسیار کوچک و ناپایدار هستند و بلافاصله پس از تشکیل، از بین می‌روند. همچنین، کرم‌چاله‌ها تنها می‌توانند با استفاده از سیاه‌چاله‌های ابدی تشکیل شوند. این سیاه‌چاله‌ها با ماده هیچ برهم‌کنشی ندارند و از طریق تابش هاوکینگ، جرم خود را از دست نمی‌دهند. اگر وجود کرم چاله از نظر تجربی اثبات شود، تحول شگرفی در علم فیزیک به وجود خواهد آمد. در این مطلب از مجله فرادرس، ابتدا کرم چاله را تعریف، سپس در مورد انواع کرم چاله و چگونگی پایدار کردن آن‌ها صحیت می‌کنیم.

کرم چاله چیست ؟

کوه بسیار بلندی را در نظر بگیرید که دو شهر در دو طرف آن قرار گرفته‌اند و هیچ راه ارتباطی با یکدیگر ندارند. مردم هر شهر برای رفتن به شهر دیگر باید کوه را دور بزنند و مسیر بسیار طولانی را طی کنند. تعدادی افراد تحصیل‌کرده پیشنهاد دادند راه آسان‌تری نیز برای رفت‌وآمد بین دو شهر وجود دارد، حفر تونل از میان کوه. این تونل راه‌ میانبری برای رفتن از شهری به شهر دیگر خواهد بود. ایده حفر تونل از میان کوه، مشابه ایده وجود کرم چاله در فضا است. کرم چاله همانند تونلی بین دو مکان یا نقطه بسیار دور در کیهان، مدت زمان سفر بین این دو نقطه بسیار دور را کوتاه می‌کند.

اگر می‌توانستید کرم چاله ای را در واقعیت ببینید، به طور حتم آن را به شکل مارپیچ، کروی و اندکی شبیه سیاه‌چاله مشاهده می‌کردید. نور از قسمت دیگر کرم‌چاله عبور می‌کند و به شما می‌رسد و دریچه‌ای از مکانی بسیار دور را به روی شما می‌گشاید. اینشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی نظریه نسبیت عام را مطرح کرد. گرانش به گونه‌ای دیگر در این نظریه مطرح و توضیح داده شد. بر طبق فیزیک نیوتنی، گرانش نوعی نیروی جاذبه است که بین اجسام مختلف با جرم مشخص وجود دارد. اما اینشتین معتقد بود که گرانش، خمیدگی فضا زمان است. بر طبق نظریه نسبیت عام، فضا زمان در اطراف جسمی با جرم زیاد خمیده می‌شود. هر چه جرم جسم بیشتر باشد، خمیدگی فضا زمان در اطراف آن نیز بیشتر خواهد بود.

جسمی فضایی با جرم زیاد را در نظر بگیرید. فضا زمان در اطراف این جسم کاملا خمیده می‌شود. اکنون اگر جسم دیگری با جرم مشخص در نزدیکی این جسم فضایی با جرم زیاد قرار بگیرد، به دلیل خمیدگی فضا زمان به سمت آن حرکت می‌کند. برای درک بهتر این حالت پارچه‌ای را در نظر بگیرید که از چهار طرف نگه داشته شده و کاملا صاف است. سپس، سنگی نسبتا سنگین را در وسط این پارچه قرار می‌دهید. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ پارچه به دلیل وزن سنگ، به سمت پایین خم می‌شود. این حالت مشابه خمیدگی فضا زمان در اطراف جرم سنگین است. در ادامه، سنگ کوچکی را در نقطه مشخصی روی پارچه رها کنید. سنگِ کوچک به دلیل شیب ایجاد شده به سمت سنگ بزرگ حرکت می‌کند. حرکت سنگ به دلیل شیب ایجاد شده، همانند گرانش بین دو جسم با جرم مشخص عمل می‌کند.

فضا زمان را می‌توان همانند پارچه‌ در نظر گرفت. همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، پارچه را می‌توان به راحتی با قرار دادن جسمی سنگین در وسط آن یا با فشردن، خم کرد. گرانش نیز می‌تواند فضا زمان را خم کند. شاید از خود بپرسید آیا می‌توان فضا زمان را به گونه‌ای خم کرد که با این خمیدگی بتوانیم کار موردعلاقه خود را در کیهان انجام دهیم. سفر در منظومه‌شمسی می‌تواند از چند روز تا چند سال طول بکشد. برای سفر به ستاره‌ها و کهکشان‌های دیگر زمان بسیار زیادتری را باید صرف کرد، به گونه‌ای که این زمان از طول عمر متوسط انسان بیشتر می‌شود.

آیا راهی برای کوتاه کردن مدت زمان سفر در فضا وجود دارد؟ به این نکته توجه داشته باشید که سرعت نور حد سرعت در کیهان است و هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. فاصله نزدیک‌ترین ستاره به زمین در حدود ۴ سال نوری است. یعنی اگر می‌توانستیم با سرعت نور حرکت کنیم، ۴ سال بعد به نزدیک‌ترین ستاره می‌رسیدیم. اما هنوز فضاپیمایی ساخته نشده است که بتواند با سرعت نور و حتی نزدیک به آن حرکت کند. شاید با ایجاد حفره‌ای در فضا زمان بتوان مدت زمان سفر در فضا را کوتاه کرد. در واقع شاید بتوان با ایجاد میانبری در فضا زمان، سفر به نقاط بسیار دور را ممکن ساخت.

فرض کنید کیهان به شکل کاغذی مسطح به صورت نشان داده شده در تصویر زیر است. برای رفتن از نقطه A به B باید روی این سطح مسطح حرکت کنیم. آیا راه نزدیک‌تری برای رفتن از نقطه A به B وجود دارد.

کاغذِ‌ مسطح، دو بعد دارد. می‌توان کاغذ (کیهان) را خم و بعد سومی ایجاد کرد. سپس، حفره‌ای را در کاغذ خم شده ایجاد می‌کنیم. نقطه‌های A و B در بعد سوم به یکدیگر نزدیک‌تر هستند. بنابراین می‌توان در زمان بسیار کوتاه‌تری از نقطه A به نقطه B رسید. به این نکته توجه داشته باشید که هرچه میزان خمیدگی کاغذ بیشتر باشد، زمان رسیدن از A به B کوتاه‌تر خواهد بود.

به احتمال زیاد این پرسش برای شما مطرح شده است که آیا می‌توان با استفاده از کرم چاله در زمان سفر کرد یا خیر. بر طبق نظریه نسبیت اینشتین می‌توانیم به آینده سفر کنیم. آیا می‌توانیم در زمان به عقب برگردیم؟ آیا می‌توان با استفاده از کرم چاله‌ها به گذشته سفر کرد؟ کرم‌‌چاله‌ها با ایجاد میانبر در فضا زمان، زمان سفر از کهکشانی به کهکشان دیگر در کیهان را بسیار کوتاه می‌کنند. اگر کرم چاله‌ها وجود داشتند و می‌توانستیم با استفاده از آن‌ها از نقطه‌ای در کیهان به نقطه‌ای دیگر برویم و اگر به اندازه کافی بزرگ و پایدار بودند، به راحتی می‌توانستیم ماشین زمان بسازیم. فیزیک‌دان‌های زیادی علاقه‌مند به پژوهش در مورد کرم‌چاله‌ها هستند.

نسبیت عام به تنهایی برای توصیف رفتار کرم‌چاله‌ها کافی نیست، زیرا علاوه بر گرانش در کیهان، پدیده‌های بسیار دیگری مانند امواج الکترومغناطیسی، اتم‌ها، الکترون‌ها و بسیاری از پدیده‌های دیگر نیز وجود دارند. بنابراین، برای توصیف رفتار کرم‌چاله‌ها باید فیزیک کوانتوم را به نسبیت عام اضافه کنیم. در این حالت فیزیک‌دان‌ها به این نتیجه رسیدند که کرم‌چاله‌های بزرگ به صورت ذاتی ناپایدار هستند. بنابراین، اگر سفر در کرم چاله را انتخاب کنیم باید بدانیم پس از مدتی به همراه کرم چاله از بین خواهیم رفت.

اینشتین به همراه فیزیک‌دانی دیگر به نام «روزِن» (Rosen)‌ مقاله‌ای را تحت عنوان «پل اینشتین روزِن» (Einstein-Rosen Bridge) در سال ۱۹۳۰ میلادی منتشر کردند. در ادامه، در مورد این مقاله و ارتباط آن با کرم چاله صحبت می‌کنیم. ابتدا کرم‌چاله‌ها را تحت‌عنوان پل اینشتین روزن می‌شناختند. اینشتین و روزن وجود کرم‌چاله‌ها را روی کاغذ و به صورت نظری پیش‌بینی کردند، اما تاکنون وجود هیچ کرم‌چاله‌ای در هیچ جای کیهان به اثبات نرسیده است. برخی معادلات اینشتین وجود کرم‌چاله‌هایی را پیشنهاد داده‌اند که دهانه ورودی سیاه‌چاله‌ها هستند. اما با علم امروز نمی‌توانیم ثابت کنیم که سیاه‌چاله همان کرم‌چاله است، زیرا اجسام و افراد پس از ورود به سیاه‌چاله نمی‌توانند از آن خارج شوند و پایان خوبی نخواهند داشت.

به بیان دیگر، هیچ اطلاعاتی از درون سیاه‌چاله و اتفاقاتِ رخ داده در آن نداریم. بر طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، چرخش سیارات به دور خورشید، حرکت کهکشان‌ها در کیهان، افتادن سیب روی زمین و خیلی از پدیده‌های مشابه به دلیل نیروی گرانش نیست، بلکه این اتفاقات به دلیل خمیدگی فضا زمان در اطراف اجسام با جرم‌های مختلف رخ می‌دهند. کرم چاله نیز می‌تواند به دلیل خمیدگی فضا زمان رخ دهد.

پل اینشتین روزن در نظریه کرم چاله چیست ؟

در بخش قبل فهمیدیم کرم چاله چیست و چگونه تعریف می‌شود. پس از اکران فیلم «میان‌ستاره‌ای» (Interstellar) در سال ۲۰۱۴ میلادی، بسیار از مردم با مفهوم کرم چاله و استفاده از آن برای سفر در فضا آشنا شدند. گرچه هیچ اثبات علمی برای وجود کرم چاله در فضا وجود ندارد، ساخت آن به صورت مصنوعی در فضا ممکن است. این کار را شاید بتوان با استفاده از نسخه‌های ابعاد بالاتر نظریه ریسمان و مهندسی پایه‌های فضا زمان انجام داد. کرم چاله یکی از موضوعات جذابی است که فیزیک‌دان‌های بسیاری روی آن کار می‌کنند و سالانه ده‌ها مقاله در این مورد در مجله‌های علمی معتبر منتشر می‌شوند. اما سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که وجود این پدیده فضایی نخستین بار توسط چه کسی پیش‌بینی شد.

اینشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی مقاله معروف خود در مورد نسبیت عام و مفهوم گرانش را منتشر کرد. سال‌ها پس از انتشار این مقاله، فیزیک‌دانی آمریکایی به نام «جان ویلر» (John Wheeler)‌ عبارت معروف «فضا به ماده می‌گوید چگونه حرکت کند و ماده به فضا می‌گوید چگونه خمیده شود» را ابداع کرد. اینشتین، گرانش را به عنوان خمیدگی فضا زمان معرفی کرد. نسبیت عام نظریه میدانی پیوسته‌ای است که با نظریه ذره‌ای ماده به نام فیزیک کوانتوم در تناقض است. اینشتین نه‌تنها مفهوم گرانش را در نسبیت عام توضیح و نظریه نسبیت را گسترش داد، بلکه نقش مهمی در پیشرفت فیزیک کوانتومی نیز داشت. اما کوانتوم به دلیل ماهیت احتمالاتی و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ خیلی مورد علاقه این فیزیک‌دان برجسته نبود.

بنابراین، اینشتین در سال ۱۹۳۵ با فیزیک‌دانی به نام روزِن، روی نظریه میدانی برای الکترون‌ها کار و برای ساخت نظریه میدانی برای الکترون‌ها از نسبیت عام استفاده کردند. این دو فیزیک‌دان در تلاش بودند تا نظریه‌ای بنیادی در مورد ماده و الکتریسیته پیدا کنند. آن‌ها برای انجام این کار تنها از ایده‌های مطرح شده در نظریه ماکسول و نسبیت عام استفاده کردند. یکی از نتایج این پژوهش آن بود که جرم کوچک‌ترین ذره باردار برابر صفر است. در پایان، دستاورد آن‌ها به طور کامل منحصربه‌فرد بود. آن‌ها از معادلات توزیع جرم کروی متقارن شروع کردند. این توزیع برای سیاه‌چاله‌ها استفاده شده و به حل «شوارتزشیلد» (Schwarzschild) معروف بود:

$$s d ^ 2 = – frac { 1 } { 1 – frac { 2 m } { r } }  dr ^ 2 – r ^ 2 ( d theta ^ 2 + sin ^ 2 theta d phi ^ 2 ) + ( 1 – frac { 2 m } { r } ) d t ^ 2$$

آن‌ها برای حذف ناحیه‌ای شامل انحنای تکینه از تبدیل مختصات استفاده کردند. نقطه تکینه ناحیه‌ای است که در آن ناپیوستگی در خمیدگی فضا مشاهده می‌شود. این نقطه را می‌توان در سیاه‌چاله‌ها و پدیده‌های مشابه یافت. تکینگی در $$r = 2 m $$ با تبدیل مختصات $$u ^ 2 = r – 2 m $$ حذف می‌شود. در نتیجه، حل نهایی به شکل زیر درمی‌آید:

$$d s ^ 2 = – 4 ( u ^ 2 + 2 m ) d u ^ 2 – ( u ^ 2 + 2 m ) ^ 2 d Omega ^ 2 + frac { u ^ 2 } { u ^ 2 + 2 m } d t ^ 2 \ d Omega ^ 2 = d theta ^ 2 + sin ^ 2 theta d phi ^ 2 $$

این حل، نمایش ریاضی فیزیکی متشکل از دو ورقه مسطح نامتقارن است که توسط پلی به یکدیگر متصل شده‌اند. این پل، همان کرم چاله است. این پل یا کرم چاله دو ورقه یا دو ناحیه مجزا از کیهان را به یکدیگر متصل می‌کند. تصویر زیر فضای اطراف کرم‌چاله را نشان می‌دهد. همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید فضای بالا و پایین در لبه‌ها مسطح شده‌اند.

اما این کرم چاله، کرم چاله قابل‌عبوری نبود. برای این کار باید تا دهه‌های ۵۰ و ۸۰ میلادی و پژوهش دو فیزیک‌دان به نام‌های جان ویلر و «کیپ ثورن» (Kip Thorne) صبر می‌کردیم. در سال ۱۹۸۷ میلادی نویسنده‌ای به نام «کارل ساگان» (Carl Sagan)‌ رمانی به نام «تماس» نوشت. ثورن و همکارش به نام «مایکل موریس» (Michael Morris) با الهام از این رمان توانستند مدلی ریاضی برای توصیف کرم‌چاله‌ای با تقارن کروی و محیطی واقعی و محدود بسازند. راه حل ارائه شده برای کرم چاله، برخلاف سیاه‌چاله، هیچ افق رویدادی نداشت. مقاله منتشر شده توسط ثورن و موریس عنوان جالبی داشت: کرم چاله‌ها در فضا زمان و استفاده از آن‌ها برای سفر میان‌ستاره‌ای، وسیله‌ای برای تدریس نسبی نسبیت عام. این مقاله سبب شد بسیاری از فیزیک‌دان‌ها به پژوهش در مورد کرم‌چاله‌ها علاقه‌مند شوند.

پوستر فیلم Contact

کرم‌چاله‌ها کاربردهای زیادی در فیزیک و فناوری دارند. فیزیک‌دان‌های نظری معتقد هستند که از کرم‌چاله‌ها می‌توان برای ارتباطات و سفرهای سریع‌تر از سرعت نور و تولید انرژی استفاده کرد. اما قبل از رسیدن به این رویا، باید مشکل بزرگ‌تری را حل کرد. همان‌طور که در ابتدای مطلب اشاره کردیم کرم‌چاله‌ها ناپایدار هستند. بنابراین، باید بتوان آن‌ها را با استفاده از ماده مرموز و انرژی منفی، پایدار کرد. ماده مرموز نوعی ماده فرضی با ویژگی‌های کاملا متفاوت با ماده معمولی است. این ماده، چگالی انرژی و فشار منفی دارد. انرژی منفی یا جرم منفی نیز شکلی از انرژی با مقدار منفی است. این‌گونه به نظر می‌رسد که که این دو شکل ماده و انرژی برای پایدار کردن کرم‌ چاله ضروری هستند.

بیشتر پژوهش‌ها در زمینه کرم‌چاله‌ها بر یافتن راهی برای پایدار کردن آن‌ها با استفاده از ماده مرموز و انرژی منفی متمرکز شده‌اند. همچنین، دانشمندان به دنبال راه‌هایی برای آشکارسازی کرم‌چاله‌ها و تعیین مشخصات آن‌ها هستند. گرچه غلبه بر این چالش‌ها بسیار سخت به نظر می‌رسد، کاربردهای بالقوه و جالب کرم چاله طی کردن این مسیر را میسر ساخته است. برای داشتن درک بهتری از سیاه‌چاله، هندسه آن را می‌توانیم توسط روشی به نام جاسازی در ریاضی نمایش دهیم. این روش به ما شکلی هندسی در مورد خمیدگی فضا زمان در اطراف سیاه‌چاله می‌دهد.

$$dsigma ^ 2 = c ^ 2 d t ^ 2 – d s ^ 2$$

حل معادلات ریاضی به ما نشان می‌دهد که فضا زمان در اطراف سیاه‌چاله به شکل قیف در می‌آید، به گونه‌ای که سر قیف در فاصله زیاد تقریبا مسطح است. اما هرچه به افق رویداد نزدیک‌تر می‌شویم، گرانش قوی‌تر و فضا زمان، خمیده‌تر می‌شود. در نگاه نخست این‌گونه به نظر می‌رسد که ساختار کیهان به گونه‌ای است که حفره‌ای در آن قرار دارد.

کرم چاله چگونه به وجود می آید؟

در بخش قبل فهمیدیم نظریه کرم چاله چیست و اینشتین به همراه روزن چگونه آن را مطرح کردند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، نسبیت عام، جهان را فضایی چهاربعدی، متشکل از فضای سه‌بعدی و زمان یک‌بعدی می‌داند که در حضور جسمی با جرم مشخص می‌تواند خمیده شود و تغییر شکل دهد. گرانش به دلیل خمیدگی فضا زمان به وجود می‌آید. سیاه‌چاله جسمی است که جرم آن در نقطه‌ای بسیار کوچک به نام تکینگی جمع شد است. فضا زمان در اطراف سیاه‌چاله به دلیل جرم بسیار زیاد آن، خمیده شده است. میزان این خمیدگی به اندازه‌ای زیاد است که هیچ جسمی، حتی نور پس از عبور از افق رویداد، نمی‌تواند از دام سیاه‌چاله فرار کند. وجود این حفره عجیب به نظر می‌رسد. شاید این پرسش در ذهن شما ایجاد شده باشد که اگر فضاپیمایی بتواند به لبه حفره برسد، چه اتفاقی برای آن رخ می‌دهد. آیا کیهان از این حفره آغاز می‌شود؟

برای پاسخ به این پرسش باید کمی در ریاضیات عمیق‌تر شویم. کیهان ما چهار بعد دارد،‌ فضای سه‌بعدی و زمانِ یک‌بعدی. به هنگام نمایش هندسه فضایی از دو بعد چشم‌پوشی می‌کنیم. افق رویداد سیاه‌چاله می‌بایست کره باشد، اما برای نمایش فضا زمان یکی از ابعاد فضا را نادیده می‌گیریم. بنابراین، افق رویداد سیاه‌چاله به شکل دایره درمی‌آید. همچنین، ما در مورد خمیدگی فضا در اطراف سیاه‌چاله صحبت کردیم و چیزی در مورد خمیدگی زمان نگفتیم. در واقع، ما از روی عمد از بعد زمان چشم‌پوشی کرده‌ایم. از این‌رو، نمودار ما کاملا پایدار است و خمیدگی فضا را در لحظه‌ای خاص در زمان نشان می‌دهد. فضاپیما با قرار گرفتن در سیاه‌چاله در زمان به جلو حرکت می‌کند. به بیان دیگر، اگر زمان حرکت نکند، فضاپیما بدون حرکت می‌ایستد.

با در نظر گرفتن زمان و گذر آن می‌توانیم خمیدگی فضا را در لحظات مختلف مشاهده کنیم. در این حالت، حفره باز در انتهای قیف به سرعت بسته می‌شود. فضاپیما با رسیدن به افق رویدادِ سیاه‌چاله، به مسیر خود به سمت مرکز و نقطه تکینه ادامه می‌دهد. از دیدگاه ریاضی و مستقل از ناظر، این حفره برای آن‌که در دسترس نباشد به سرعت بسته می‌شود. بر طبق نسبیت عام، چنین حفره‌ای می‌تواند در کیهان وجود داشته باشد، اما این حفره به سرعت بسته خواهد شد و دسترسی به آن تقریبا غیرممکن است. به همین دلیل، کیهان هیچ حفره‌ای ندارد. اما این موضوع برای ما و علم ریاضی چندان جذاب نیست.

گرچه حفره به سرعت بسته می‌شود، اما برای لحظاتی هر چند کوتاه وجود داشت و این موضوع بسیار عجیب به نظر می‌رسد. این‌گونه به نظر می‌رسد که به نکته مهمی در نظریه خود توجه نکرده‌ایم. بنابراین، به خوبی نمی‌توانیم موقعیت موجود را توصیف کنیم. از نقطه نظر ریاضی می‌توانیم هندسه فضا را در معادلات خود تکرار کنیم. اما باید به این نکته توجه داشته باشیم که نسخه دوم، معکوس نسخه اول است. در نسخه دوم و معکوس، سیاه‌چاله از خود رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. در این نسخه، اجسام به جای ورود به سیاه‌چاله، از آن فرار می‌کنند. به سیاه‌چاله در نسخه معکوس از فضا، سفیدچاله گفته می‌شود. اکنون دو نسخه از کیهان داریم، نسخه اصلی و نسخه معکوس.

می‌توان حفره‌های باز شده در هر جهان را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر روی هم قرار داد. به این نکته توجه داشته باشید که این نظریه کاملا روی کاغذ نوشته شده است و تاکنون هیچ مشاهده فیزیکی برای حمایت از آن وجود ندارد.

با انجام این کار ساختاری به وجود می‌آید که رضایت بیشتری را به همراه دارد. در این حالت، به جای حفره، لوله‌ای ساده داریم. به این ساختار، کرم‌چاله می‌گوییم. اگر کرم‌چاله وجود داشته باشد، دو بخش از فضا زمان توسط آن به یکدیگر وصل می‌شوند. کرم‌ چاله ممکن است دو جهان کاملا مستقل یا دو نقطه در جهانی یکسان را به یکدیگر وصل کند. در حالت دوم، کرم چاله همانند راهی میانبر بین دو نقطه بسیار دور از یکدیگر عمل و آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند. بنابراین، نور و اجسام دیگر می‌توانند در مدت زمان بسیار کوتاهی بین دو نقطه بسیار دور از یکدیگر حرکت کنند.

شاید در آینده‌ای نه چندان دور بتوانیم با استفاده از کرم‌چاله‌ها به راحتی از کهکشانی به کهکشان دیگر برویم. اما به این نکته توجه داشته باشید که این کرم‌چاله‌ها با نام دیگر پل اینشتین روزن، که از سیاه‌چاله و سفیدچاله ساخته شده‌اند، قابل عبور نیستند. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره کردیم، حفره‌ای در کیهان وجود ندارد و در صورت وجود، به سرعت بسته می‌شود. این حالت پس از اتصال دو حفره به یکدیگر نیز رخ خواهد داد. بنابراین، هر جسمی پس از ورود به کرم چاله از بین خواهد رفت.

آیا کرم چاله تنها می‌تواند به شکل نشان داده شده در تصویر بالا باشد؟ خیر. کرم چاله‌ها از نظر ریاضی می‌توانند شکل‌های دیگری نیز داشته باشند که مورد تایید نسبیت عام هستند.

اگر سیاه‌چاله‌ای بتواند به دور خود بچرخد یا بار الکتریکی داشته باشد، شاید بتوان از کرم‌چاله‌ای که از این سیاه‌چاله تشکیل شده است، گذشت. در این حالت، تکینگی، نقطه‌ای ثابت و تکی نیست، بلکه به شکل حلقه خواهد بود. اطراف این حلقه تکینه، افق رویدادی به وجود می‌آید که گذر از آن ممکن به نظر می‌رسد. به این نکته توجه داشته باشید که از این کرم چاله، تنها در یک جهت می‌توانیم عبور کنیم و بازگشتی در کار نخواهد بود. به عنوان مثال، سیبی را فرض کنید که وارد سیاه‌چاله و نقطه ورودی کرم‌چاله می‌شود و از نقطه خروج آن، سفیدچاله، بیرون می‌رود. این سیب دیگر نمی‌تواند وارد کرم‌چاله و از جهت دیگر آن خارج شود. زیرا سفیدچاله تحمل ورود هیچ جسمی به درون خورد را ندارد.

فیزیک‌دان‌ها در آخرین پژوهش‌های خود، شکل‌های دیگری را به همراه ویژگی‌های جالب‌‌تر برای کرم‌چاله‌ها پیشنهاد داده‌اند. کرم‌ چاله در این شکل‌های پیشنهادی چیزی فراتر از سیاه‌چاله و سفیدچاله است و با استفاده از آن می‌توان به صورت واقعی در فضا و زمان سفر کرد. بار دیگر ذکر این نکته مهم است که این کرم‌چاله‌ها تا این زمان تنها روی کاغذ بیان شده‌اند و هیچ شاهد فیزیکی برای مشاهده آن‌ها وجود ندارد. کرم‌چاله‌ محبوب کرم‌چاله‌ای است که چند ویژگی مهم را داشته باشد.

مهم ترین ویژگی های کرم چاله چیست ؟

در ادامه با مهم‌ترین ویژگی‌های کرم‌چاله‌ها آشنا می‌شویم.

ویژگی اول کرم چاله چیست ؟

پژوهشگران به کرم‌چاله‌ای علاقه دارند که بتوان در آن در دو مسیرِ رفت و برگشت حرکت کرد. برخلاف پل اینشتین روزن، این کرم چاله هیچ افق رویدادی ندارد. در این صورت، از هر نقطه‌ای در کرم چاله می‌توان مسیر رفت‌ و برگشت را طی کرد.

ویژگی دوم کرم چاله چیست ؟

کرم چاله باید در طول زمان پایدار باشد. به بیان دیگر، اگر تونل داخل آن بسته شود یا از نظر زمانی پایدار نباشد، سفر در آن بسیار خطرناک خواهد بود.

ویژگی سوم کرم چاله چیست ؟

لوله یا تونل درونی کرم چاله باید به اندازه کافی بزرگ باشد. در این صورت، عبور از آن ممکن خواهد بود.

ویژگی چهارم کرم چاله چیست ؟

زمان لازم برای عبور از کرم چاله باید منطقی باشد. به عنوان مثال، سفر در کرم چاله حدود چند سال، نه چند میلیون سال، طول بکشد. در حالتی که سفر در کرم چاله میلیون‌ها سال به طول بیانجامد، استفاده از آن هیچ دلیل منطقی نخواهد داشت.

ویژگی پنجم کرم چاله چیست ؟

نیروی گرانشی ایجاد شده در کرم‌چاله به دلیل شکل آن نباید خیلی قوی باشد. در این حالت، فضاپیما به راحتی و بدون تغییر شکل می‌تواند از داخلِ کرم چاله عبور کند.

کرم‌چاله‌هایی با چنین ویژگی‌هایی از نظر ریاضی می‌توانند وجود داشته باشند و از نظر نسبیت عام قابل‌پذیرش هستند.

کرم چاله ماریس ثورن

تا اینجا می‌دانیم مهم‌ترین ویژگی‌های کرم چاله چیست. کرم چاله «ماریس ثورن» (Morris Thorne Wormhole) یکی از معروف‌ترین و آسان‌ترین کرم‌چاله‌ها با برخی از ویژگی‌های بیان شده در بالا است:

  • هیچ افق رویدادی در این کرم چاله وجود ندارد.
  • هیچ تکینگی در این کرم چاله وجود ندارد.
  • این کرم چاله پایداری مناسبی در طول زمان از خود نشان می‌دهد.
  • این کرم چاله به هنگام عبور جسمی از داخل آن، بسته نمی‌شود.

این کرم چاله بسیار جالب و کاملا هندسی است. به بیان دیگر، ساختار جالب و هندسی این کرم‌چاله اجازه تولید نیروی قوی گرانشی را نمی‌دهد. این بدان معنا است که در نزدیکی این کرم‌چاله می‌توان ساکن ماند و هیچ نیروی جاذبه یا دافعه‌ای را احساس نکرد. به هنگام عبور از کرم چاله، فضاپیما در امتداد مسیری ژئودزیک حرکت خواهد کرد. مسیر ژئودزیک خط مستقیمی در فضا زمان خمیده است. خط ژئودزیک در کرم چاله موریس ثورن بسیار جالب است. جسمی مشخص وارد کرم‌چاله می‌شود و در امتداد دایره‌ای به صورت نشان داده شده در تصویر زیر، داخل آن حرکت می‌کند. اما این جسم از همان انتهای کرم‌چاله که وارد شده بود، خارج می‌شود.

برای عبور از این کرم‌چاله لازم است که فضاپیما را دقیقا در راستای مسیری به سمت مرکز قرار دهیم. در نگاه نخست این‌گونه به نظر می‌رسد که مسیر نور به دلیل هندسه کرم‌چاله منحرف می‌شود. کرم‌چاله همانند عدسی،‌ تصویر ستاره‌های نزدیک به خود را مختل می‌کند. به دلیل عبور نور از کرم چاله ممکن است بتوانیم تصویر آن‌ سمت کرم چاله را مشاهده کنیم. کرم چاله موریس ثورن بسیار ظریف و جالب است. همچنین، این‌گونه به نظر می‌رسد که وجود کرم چاله پایدار با قرار دادن کره‌‌‌ای با انرژی منفی به دور آن ممکن است. وجود کره با انرژی منفی برای جبران تنش فضا زمان لازم خواهد بود. در واقع، تنش فضا زمان منجر به فروپاشی ساختارهایی، مانند پل اینشتین روزن، می‌شود. قرار دادن کره‌ای با انرژی منفی به دور این نوع کرم‌چاله‌ها می‌تواند از فروپاشی آن‌ها جلوگیری کند.

اما وجود چنین انرژی منفی در نسبیت عام، از نظر ریاضی غیرممکن است. از این‌رو، کرم‌چاله‌های پایدار نمی‌توانند وجود داشته باشند. تا اینجا باید ناامید شده باشیم، زیرا کرم‌چاله‌هایی می‌توانند وجود داشته باشند که پایدار باشند. همچنین، پایداری کرم‌چاله‌ها به وجود انرژی منفی برای مدت زمانی نسبتا طولانی، وابسته است. از نظر ریاضی، انرژی منفی نداریم، بنابراین، کرم‌چاله‌ها نمی‌توانند برای مدت زمان طولانی وجود داشته باشند و در صورت وجود، در مدت زمان بسیار کوتاهی نابود خواهند شد. در نتیجه، این‌گونه به نظر می‌رسد که هر ساختاری به شکل کرم‌ چاله به صورت خودکار خود را سانسور می‌کند. به بیان دیگر، کرم‌چاله‌ها برای هر ناظری که تلاش می‌کند تا به آن‌ها برسد، بسته می‌شوند.

اما این نتیجه‌گیری براساس نسبیت عام به‌دست آمده است و این نظریه بی‌نقص نیست. در نظریه نسبیت عام به برخی پدیده‌های کوانتومی که در مقیاس میکروسکوپی رخ می‌دهند، توجهی نشده است. در این مقیاس، نظریه‌های دیگری مانند نظریه میدان کوانتومی مطرح می‌شوند. این نظریه، ذرات را در مقیاس کوانتومی توصیف می‌کند. بر طبق این نظریه، خلأ مقدار مشخصی انرژی دارد. بنابراین، در خلأ نوساناتی وجود دارند. به این نوسانات، ذرات مجازی گفته می‌شود. این ذرات را می‌توان مشابه ذرات عادی دانست که به سرعت ظاهر می‌شوند و از بین می‌روند. تمام این ذرات مجازی، فشاری اضافی در فضا ایجاد می‌کنند که سبب ایجاد اثری به نام اثر کاسیمیر می‌شود.

نیروی جاذبه بین دو سطح در خلأ برای اولین بار توسط کاسیمیر پیش‌بینی شد. این نیروی جاذبه بر هر چیزی از میکروماشین‌ها تا نظریه‌های یکپارچه طبیعت تأثیر می‌گذارد. اگر دو آینه را در فضای تهی روبروی یکدیگر قرار دهید، چه اتفاقی می‌افتد؟ «هیچ اتفاقی نمی‌افتد» اولین پاسخی است که به‌ ذهن می‌رسد. اما، این پاسخ اشتباه است. دو آینه به دلیل وجود خلأ، یکدیگر را جذب می‌کنند. این پدیده شگفت‌آور برای نخستین بار در سال ۱۹۴۸ توسط کاسیمیر پیش‌بینی شد. اکنون، این پدیده را به نام اثر کاسیمیر می‌شناسند. همچنین، به نیروی بین آینه‌ها، نیروی کاسیمیر گفته می‌شود.

برای سال‌های زیادی اثر کاسیمیر چیزی بیش از یک کنجکاوی نظری نبود. اما، این پدیده در سال‌های اخیر شکوفا شده است. برطبق پژوهش‌های انجام شده توسط فیزیک‌دان‌های تجربی، نیروی کاسیمیر بر کار ابزارهای میکرومکانیکی تأثیر می‌گذارد. گرچه نیروی کاسیمیر متناقض به نظر می‌رسد، اما به‌ خوبی درک شده است. در مکانیک کلاسیک مفهوم خلأ ساده بود. هنگامی که تمام ذره‌های مخزنی را از آن خارج می‌کنیم و دمای مخزن را به صفر مطلق می‌رسانیم، محیط خلأ ایجاد کرده‌ایم.

فیزیک کوانتوم تعریف و مفهوم خلأ را به‌ طور کامل تغییر داد. تمام میدان‌ها، به‌خصوص میدان‌های الکترومغناطیسی، نوسان می‌کنند. به‌ بیان دیگر، مقدار آن‌ها در هر لحظه حول مقدار ثابتی، به نام مقدار میانگین، تغییر می‌کند. حتی خلأ ایده‌آل در دمای صفر میدان‌های نوسانی به نام «نوسان‌های خلأ» دارد که انرژی میانگین هر کدام برابر نصف انرژی یک فوتون است. از این‌رو، گرچه نسبیت عام پایداری کرم‌چاله‌ها را رد می‌کند، فیزیک کوانتوم می‌تواند این مشکل را حل کند. برخی فیزیک‌دان‌ها معتقد هستند که کرم‌چاله‌ها با درهم‌تنیدگی کوانتومی در ارتباط هستند. همچنین، نظریه‌های دیگری مانند نظریه ریسمان چشم‌انداز جدیدی را برای درک مفهومی کرم‌چاله‌ها ارائه می‌دهند. بر طبق پژوهش‌های انجام شده و نتیجه آن‌ها، کرم‌چاله‌ها بلافاصله پس از بیگ‌بنگ تشکیل‌ و در اثر انبساط کیهان، منبسط شده‌اند.

در نظریه ریسمان، کرم‌چاله‌ها به دلیل اثر کاسیمیر پایدار هستند. اما به این نکته توجه داشته باشید که تاکنون وجود چنین کرم‌چاله‌ای، تنها به صورت نظری بیان شده است و هیچ شاهد فیزیکی برای وجود آن، مشاهده نشده است. اگر وجود کرم‌چاله‌ها به طور کامل اثبات شود، سوال مهمی که پس از آن مطرح خواهد شد، سفر در زمان در کرم چاله خواهد بود. در حقیقت، نظریه نسبیت، سفر در زمان در کرم چاله را رد نمی‌کند. سفر به گذشته همیشه یکی از موضوع‌های جالب برای انسان بوده و در این رابطه فیلم‌ها و سریال‌های زیادی ساخته شده است. شاید با وجود کرم‌ چاله بتوان این رویا را به واقعیت تبدیل کرد. توجه به این نکته مهم است که سفر به گذشته‌ای بسیار دور و زمان تشکیل کرم‌ چاله غیرممکن است. کرم‌چاله‌ها از نظر ریاضی بسیار جالب هستند.

انواع مختلف کرم چاله چیست ؟

یکی از انواع مختلف کرم چاله که در ابتدای این مطلب از مجله فرادرس به آن اشاره کردیم، کرم چاله قابل عبور است که می‌تواند با قرار دادن انرژی منفی به دور آن پایدار باشد. علاوه بر کرم‌چاله‌های قابل‌عبور، پنج نوع کرم چاله دیگر نیز وجود دارند:

  • کرم‌چاله‌های غیر قابل‌عبور: هیچ چیز نمی‌تواند از این کرم‌چاله‌ها عبور کند. این کرم چاله، تنها یک ورودی دارد و از بین می‌رود. این حالت نیز امکان دارد که جسم یا فرد پس از ورود به این نوع کرم چاله و قبل از رسیدن به سمت دیگر آن، نابود شود.
  • کرم‌چاله‌های تک راه: از این کرم‌چاله‌ها تنها یک‌بار می‌توان استفاده کرد و برای برگشت به کرم چاله جدیدی نیاز است. سیاه‌چاله‌ها را می‌توان به عنوان کرم‌چاله‌های تک راه یا تک مسیر در نظر گرفت. سفیدچاله‌ها نیز نقطه مقابل سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌های تک راه هستند.
  • کرم‌چاله‌های دو راه: کرم‌چاله‌ دو راه کرم‌چاله‌ای به شکل دایره است که علاوه بر مسیر رفت، مسیر برگشت نیز از داخل آن‌ امکان‌پذیر است.
  • کرم‌چاله‌های درون کیهانی: این کرم‌چاله‌ها درون کیهانی که در آن زندگی می‌کنیم، یافت می‌شوند و برای سفر از نقطه‌ای به نقطه دیگر درون کیهان از آن‌ها استفاده می‌کنیم.
  • کرم‌چاله‌های بین کیهانی: این کرم‌چاله‌ها جهان ما را به جهان موازی آن وصل می‌کنند.

خلق کرم چاله در آزمایشگاه

در بخش قبل فهمیدیم انواع کرم چاله چیست. وجود این پدیده تاکنون از نظر تجربی به اثبات نرسیده است. در سال‌های اخیر، پژوهشگران بسیاری در تلاش برای خلق کرم چاله روی زمین هستند. آیا می‌توان کرم چاله را در آزمایشگاهی روی زمین به وجود آورد؟ همان‌طور که می‌دانیم مفهوم کرم چاله برای نخستین بار در سال ۱۹۳۵ میلادی توسط اینشتین و روزن تحت عنوان پل اینشتین روزن، مطرح شد. این پل می‌تواند دو نقطه غیرقابل‌اتصال در کیهان را به یکدیگر وصل کند. بر طبق مقاله منتشر شده توسط اینشتین و روزن، دو سیاه‌چاله می‌توانند توسط پلی به نام اینشتین روزن یکدیگر وصل شوند. همان‌طور که اشاره شد، کرم‌چاله‌ها بسیار ناپایدار هستند و بلافاصله بسته می‌شوند.

اینشتین به هنگام کار روی کرم‌چاله‌ها، فیزیک کوانتوم را در نظر نگرفته بود، بنابراین کرم‌چاله‌ها نمی‌توانستند پایدار و قابل عبور توسط فضاپیما باشند. در همان سال، مقاله دیگری توسط اینشتین، «پودالسکی» (Podolsky) و روزن منتشر شد. در این مقاله به درهم‌تنیدگی کوانتومی پرداخته شد. درهم‌تنیدگی کوانتومی در ذرات ریزاتمی مشاهده می‌شود. اگر ذره‌ای کوانتومی روی زمین باشد و ذره مشابه آن در قسمت دیگری از کیهان و در فاصله دوری از آن قرار داشته باشد، با انجام اندازه‌گیری روی ذره روی زمین می‌توانیم نتیجه ذره دیگر در آن سوی کیهان را حدس بزنیم. اما اینشتین هیچ علاقه‌ای به فیزیک کوانتوم و وارد کردن آن به نسبیت عام نداشت.

اینشتین، پودالسکی و روزن

در ابتدا این‌گونه به نظر می‌رسید که این دو مقاله هیچ ارتباطی با یکدیگر ندارند و تنها نویسنده‌های آن‌ها مشابه یکدیگر هستند. سرانجام در سال ۲۰۱۳ میلادی، دو فیزیک‌دان به نام‌های «مالداسنا» (Maldacena) و «ساسکیند» (Susskind)‌ به این نتیجه رسیدند که دو مقاله مشابه یکدیگر هستند. براساس پژوهش انجام شده توسط این دو فیزیک‌دان، کرم‌چاله‌ و درهم‌تنیدگی شباهت زیادی به یکدیگر دارند. در نخستین مقاله نوشته شده توسط اینشتین و روزن، نسبیت عام و سیاه‌چاله‌ها نقش اصلی را ایفا می‌کنند. اما در مقاله دوم، فیزیک کوانتوم نقش اصلی را دارد. در بسیاری مواقع در فیزیک، دو توصیف متفاوت برای یک مفهوم وجود دارند. به این حالت «همزادی یا دوگانگی» (Duality) گفته می‌شود.

در حالت کلی، اگر درهم‌تنیدگی کوانتومی بین دو سیاه‌چاله وجود داشته باشد، آن‌ها توسط کرم چاله به یکدیگر وصل شده‌اند. یکسان بودن بودن دو مقاله منتشر شده در سال ۱۹۳۵ میلادی به ما مفهوم جدیدی به نام گرانش کوانتومی را می‌دهد. برای پژوهش در این زمینه، فیزیک‌دان‌ها از تکنیکی به نام «دوگانگی هولوگرافیک» (Holographic duality) استفاده می‌کنند. فیزیک کوانتوم را باید به گونه‌ای به نسبیت عام مربوط ساخت. پژوهشگران گرانش کوانتومی را فیزیک حاکم بر سیاه‌چاله‌ها می‌دانند. اما برای اثبات این ادعا نمی‌توانند در محیط سیاه‌چاله و به صورت تجربی آزمایش انجام دهند. به جای این‌کار، پژوهشگران به دنبال راهی برای شبیه‌سازی این محیط بودند.

در سال ۲۰۱۹ میلادی وجود کرم‌چاله‌های قابل‌عبور مطرح شد. تا قبل از آن بسیاری از فیزیک‌دان‌ها بر این تصور بودند که کرم‌چاله‌ها نمی‌توانند قابل‌عبور باشند، اما در سال ۲۰۱۹ به این نتیجه رسیدند که وجود کرم‌چاله‌های قابل‌عبور دور از انتظار نیست. پس از آن، تلاش‌های بسیاری برای ساخت چنین کرم‌چاله‌ای در آزمایشگاه انجام شد. برای انجام این کار به بهترین سیستم کوانتومی، کامپیوتر کوانتومی، نیاز بود. کامپیوترهای معمولی براساس بیت کار می‌کنند، اما عملکرد کامپیوترهای کوانتومی براساس کیوبیت است. کیوبیت‌ها براساس درهم‌تندیگی کوانتومی کار می‌کنند. برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی از ابررسانای آلومینیومی استفاده می‌شود.

گروهی از پژوهشگران فیزیک در دانشگاه MIT تصمیم گرفتند با استفاده از پروتکل کرم چاله قابل‌عبور به نام «دانیل جفریس» (Daniel Jafferis) کرم‌چاله‌ای را در آزمایشگاه خلق کنند. آن‌ها به دنبال طراحی مداری کوانتومی بودند که از نظر ریاضی معادل کرم چاله باشد. این گروه در تلاش بودند با استفاده از دوگانگی هولوگرافیکی، نسخه کوانتومی سیستم را بسازند و کیوبیت‌های درهم‌تنیده را به گونه‌ای طراحی کنند و در کنار یکدیگر قرار دهند که فیزیک حاکم بر آن‌ها دقیقا مشابه فیزیک حاکم بر کرم چاله باشد. در ژانویه سال ۲۰۲۲ میلادی، پژوهشگران آزمایش خود را روی کامپیوتر کوانتومی طراحی شده توسط شرکت گوگل آغاز کردند. آن‌ها به دنبال قله‌ای در داده‌ها بودند. این قله نشان‌دهنده انرژی منفی و باز شدن کرم‌چاله بود. با پیدایش این قله و باز شدن کرم چاله، کیوبیت می‌توانست از آن عبور کند. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

پالسی از انرژی منفی داخل کرم چاله می‌افتد. در این حالت، کرم چاله قابل‌عبور می‌شود. کیوبیتی را در سمت چپ کرم چاله قرار می‌دهیم. کیوبیت داخل کرم‌چاله قرار می‌گیرد و اطلاعات با گذشت زمان داخل سیستم کوانتومی منتشر می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که اطلاعات کوانتومی به صورت بی‌نظم منتشر می‌شوند. اطلاعات پس از پخش باید روی یک تک کیوبیت متمرکز شوند. کیوبیت به هنگام بسته شدن کرم چاله از آن خارج می‌شود. انجام این شبیه‌سازی در آزمایشگاه توجهات زیادی را به خود جلب کرد. پژوهشگران معتقد بودند که تنها چند گام با کرم چاله واقعی فاصله دارند. خوشحالی پژوهشگران فیزیک تجربی به قدری از انجام این پژوهش زیاد بود که می‌خواستند مدار کوانتومی طراحی شده را در آغوش بگیرند.

اگر چشم کوانتومی داشتیم و می‌توانستیم مدار کوانتومی را از نزدیک مشاهده کنیم، به طور حتم درهم‌ریختگی فضا زمان را مشاهده نمی‌کردیم. چه می‌دیدیم؟ فیزیک حاکم بر کرم چاله و ارتباط بین گرانش و فیزیک کوانتوم، گرانش کوانتومی را مشاهده می‌کردیم. شاید فیزیک‌دان‌ها در آینده‌ای نزدیک بتوانند موفق به ساخت کرم‌چاله‌ای واقعی در آزمایشگاه شوند.

تا اینجا فهمیدیم کرم چاله چیست و چگونه به وجود می‌آید. همچنین، در مورد سفر در کرم چاله صحبت کردیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا با استفاده از کرم چاله می‌توانیم در زمان سفر کنیم. در ادامه، به این پرسش پاسخ می‌دهیم.

آیا سفر در زمان امکان دارد؟

یکی از سوالات مهم انسان در طول تاریخ امکان سفر در زمان بوده است. آیا انسان می‌تواند به گذشته یا آینده سفر کند؟ پژوهش‌های جدید نشان می‌دهند سفر در زمان نه‌تنها ممکن، بلکه امن نیز است. سه عاملِ سرعت، فضا و گرانش در سفر در زمان نقش اصلی را ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، گذر زمان برای فردی که روی زمین ایستاده است با فردی که در فضاپیمایی قرار دارد و با سرعت نور حرکت می‌کند، متفاوت خواهد بود. گرچه انسان هنوز نمی‌تواند با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند، اما نسبیت خاص و ریاضیات حاکم بر آن تفاوت گذر زمان در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور را تایید می‌کنند. به این نکته توجه داشته باشید که با حرکت در سرعت‌های نزدیک به سرعت بالا می‌توانیم به آینده سفر کنیم.

سفر به آینده خیلی دور از دسترس به نظر نمی‌رسد. سفر به گذشته غیرممکن به نظر می‌رسد. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره کردیم با استفاده از کرم چاله شاید بتوان به گذشته سفر کرد. کرم‌چاله‌ها نه‌تنها دو نقطه دور در کیهان را به یکدیگر متصل می‌کنند، بلکه نقطه‌های مختلف در زمان را نیز می‌توانند به یکدیگر وصل کنند. از این‌رو، شاید بتوان با ورود به کرم چاله و خروج از سمت دیگر آن، به گذشته سفر کنیم. نکته مهم آن است که نمی‌دانیم پس از ورود به کرم چاله، چه اتفاقی برای ما رخ خواهد داد.

پرسش های جالب در مورد کرم چاله

تا اینجا می‌دانیم کرم چاله چیست. کرم چاله یکی از پدیده‌های جالب فضایی است که وجود آن، تنها به صورت نظری پیش‌بینی شده است. فیزیک‌دان‌های بسیاری در مورد کرم‌چاله‌ها و خواص و ویژگی‌های آن‌ها مطالعه می‌کنند و سالانه ده‌ها مقاله در این مورد در مجله‌های معتبر علمی منتشر می‌شود. همچنین، افراد زیادی نیز وجود دارند که به مطالعه در مورد کرم‌چاله‌ها علاقه‌مند هستند. این علاقه پس از پخش فیلم معروف میان‌ستاره‌ای چند برابر شد. در این بخش به چند پرسش جالب در مورد کرم‌چاله‌ها پاسخ می‌دهیم.

آیا کرم چاله افق رویداد دارد؟

سیاه‌چاله‌ها مرزی به نام افق رویداد دارند که اجسام مختلف، حتی نور، پس از عبور از این مرز هیچ راه برگشتی ندارند. آیا کرم چاله چنین مرزی دارد؟ خیر. کرم‌چاله‌هایی که از طریق آن‌ها می‌توان از نقطه‌ای از کیهان به نقطه‌ای دیگر سفر کرد، مرزی به نام افق رویداد ندارند.

کرم چاله چگونه کار می کند؟

عملکرد کرم‌چاله بسیار ساده است. کرمی را در نظر بگیرید که از قسمتی از سیب به قسمت دیگر آن می‌رود. اگر کرم از روی سیب حرکت کند باید مسافت طولانی را در مدت زمان طولانی طی کند. اما راه ساده دیگری نیز وجود دارد. کرم می‌‌تواند به جای طی کردن مسیر از روی سیب، از داخل آن برود و به مقصد خود برسد. در این حالت، کرم در زمان و از مسیر کوتاه‌تری به نقطه نهایی می‌رسد. عملکرد کرم‌چاله نیز بدین صورت است.

آیا سفر در زمان تنها با استفاده از کرم چاله امکان پذیر است؟

خیر. روش‌های دیگری نیز برای سفر در زمان، مانند نمودار شبه زمان بسته، نیز وجود دارند.

تفاوت سیاه چاله و کرم چاله چیست ؟

تفاوت اصلی کرم چاله و سیاه‌چاله در شکل کرم چاله است. کرم چاله تونلی در فضا زمان به شکل قیف است که دو نقطه بسیار دور در کیهان را به یکدیگر وصل می‌کند. اما سیاه‌چاله جسمی کیهانی با گرانش بسیار زیاد است که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آن فرار کند. اما به دلیل مدل نظری کرم‌چاله‌ها، اجسام می‌توانند در آن سفر کنند و به آن وارد یا از آن خارج شوند. از این‌رو، اجسام می‌توانند از کرم چاله فرار کنند. بسیاری از اجسام کیهانی تحت‌تاثیر سیاه‌چاله‌ها قرار دارند، در مقابل، کرم‌چاله‌‌ها دو جهان یا دو نقطه از جهانی یکسان را به یکدیگر وصل می‌کنند. تفاوت اصلی دیگر سیاه‌چاله و کرم چاله در اثبات وجود آن‌ها در کیهان است.

وجود سیاه‌چاله با ثبت تصویری از آن برای نخستین بار در سال ۲۰۱۹ میلادی، به اثبات رسید، اما کرم چاله هنوز روی کاغذ وجود دارد و هیچ شاهد فیزیکی برای اثبات آن نداریم. سیاه‌چاله و کرم‌چاله دو پدیده غیرمعمول و بسیار جالب هستند که وجود یکی از آن‌ها به اثبات رسیده است و وجود دیگری، تنها در حد فرضیه باقی مانده است.

چگونه تنها در سه گام کرم چاله بسازیم؟

در پاسخ به پرسش کرم چاله چیست، با عبارت جالبی روبرو شدیم، ماده به فضا زمان می‌گوید چگونه خمیده شود و خمیدگی فضا زمان به ماده می‌گوید چگونه حرکت کند. اگر بخواهیم تونل یا کرم‌چاله‌ای در فضا زمان بسازیم، باید با برخی ویژگی‌های ماده و انرژی آشنا شویم. با حل معادلات میدان اینشتین می‌توانیم شرایط وجود کرم چاله را به‌دست آوریم. شاید با خود فکر کنید که آسان‌ترین راه برای ساخت کرم‌چاله ، ساخت سیاه‌چاله است. اگر ماده را در نقطه بسیار کوچکی در فضا با چگالی بسیار زیاد جمع کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ سیاه‌چاله ایجاد می‌شود. اما سیاه‌چاله، تنها پاسخ این پرسش نیست. سفیدچاله را نیز می‌توان به عنوان پاسخ در نظر گرفت. سفیدچاله‌ها نیز در مرکز خود نقطه تکینه دارند، اما افق رویداد آن‌ها برعکس سیاه‌چاله کار می‌کند.

به هنگام تشکیل هر سیاه‌چاله، سفیدچاله‌ای نیز به صورت خودبه‌خودی به وجود می‌آید که توسط سیاه‌چاله جذب می‌شود. اتصال سفیدچاله و سیاه‌چاله با یکدیگر می‌تواند سبب تشکیل کرم چاله شود. به این کرم چاله، پل اینشتین روزن می‌گوییم. اما مشکل مهمی در رابطه با این کرم‌چاله‌ها وجود دارند. به طور قطع نمی‌توانیم بگوییم سفیدچاله وجود دارد. حتی در صورت وجود، بسیار ناپایدار است. همچنین، هیچ‌چیز نمی‌تواند داخل سفیدچاله شود. بنابراین، سفیدچاله از گردونه خارج می‌شود. در واقع، اگر بخواهیم در دنیای واقعی سیاه‌چاله ایجاد کنیم، سفیدچاله هرگز نمی‌تواند وجود داشته باشد. جفت شدن سفیدچاله و سیاه‌چاله با یکدیگر برای تشکیل کرم‌چاله در سال ۱۹۳۵ میلادی توسط اینشتین و روزن مطرح شد. اما اتصال آن‌ها به یکدیگر منجر به تشکیل کرم‌چاله‌ای بسیار ناپایدار می‌شود.

برای ساخت کرم‌چاله پایدار باید ورودی را خارج از افق رویداد قرار دهیم. از این طریق می‌توانیم به تونل وارد شویم و در آن سفر کنیم. در فیزیک به این تونل، گلوگاه گفته می‌شود. برای داشتن کرم‌چاله‌ای پایدار به ماده با جرم منفی نیاز داریم. اگر به توپی با جرم منفی ضربه بزنیم، توپ در خلاف جهت ضربه شروع به حرکت می‌کند. جرم منفی در صورت وجود، پایستگی انرژی و تکانه را نقض می‌کند. انرژی منفی نیز مفهوم جالب دیگری است. کیهان به انرژی منفی اجازه می‌دهد وجود داشته باشد. در نتیجه، کرم چاله می‌تواند با قرار گرفتن ماده و انرژی منفی به دور آن پایدار شود.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس فهمیدیم کرم چاله چیست. کرم چاله یکی از پدیده‌های جالب فضایی است که وجود آن، تنها به صورت نظری پیش‌بینی شده و تاکنون در هیچ جای کیهان مشاهده نشده است. وجود کرم‌چاله‌ها برای نخستین بار توسط اینشتین و روزن در سال ۱۹۳۵ میلادی پیش‌بینی شد. بر طبق این پیش‌بینی، کرم چاله می‌تواند از کنار هم قرار گرفتن سیاه‌چاله و سفیدچاله تشکیل شود. اما چنین کرم‌چاله‌ای پایدار نیست. برای پایدار بودن کرم چاله باید فیزیک کوانتوم را در کنار نسبیت عام قرار داد. به طور خلاصه، پس از خواندن این مطلب فهمیدیم:

  • کرم چاله چیست و نظریه آن چگونه مطرح شد.
  • انواع کرم چاله چیست و چه ویژگی‌هایی دارند.
  • افق رویداد در کرم چاله چیست.
  • آیا سفر در زمان با استفاده از کرم چاله امکان دارد یا خیر.
  • کرم چاله چگ.نه به وجود می‌آید.