کرم‌چاله چیست؟ توضیح کرم چاله به زبان ساده

دو شهر در دو سمت مخالف یک کوه را در نظر بگیرید. مردم این شهرها احتمالاً برای رسیدن به شهر دیگر، باید کوه را دور بزنند؛ اما اگر بخواهند در زمان کوتاه‌تری به مقصد برسند، می‌توانند تونلی را داخل کوه حفر کنند که مانند یک میانبر عمل می‌کند. کرم‌چاله هم به همین شیوه عمل می‌کند.

اما کرم‌چاله فضایی چیست؟ کرم‌چاله در واقع تونلی بین دو نقطه‌ی دوردست از جهان است که زمان رسیدن از یک نقطه به نقطه‌ی دیگر را کوتاه می‌سازد؛ بنابراین به‌جای اینکه سفر از یک کهکشان به کهکشان دیگر میلیون‌ها سال به طول بینجامد، تحت شرایط مناسب می‌توان این سفر را به چند ساعت یا حتی چند دقیقه کاهش داد.

ازآنجاکه کرم‌چاله‌ها میانبرهایی در فضا زمان هستند می‌توانند مانند ماشین‌های زمان عمل کنند. درواقع با ورود از یک سمت کرم‌چاله می‌توانید در زمان بسیار کوتاه‌تری به سمت دیگر برسید. بااینکه دانشمندان هیچ شواهدی از وجود کرم‌چاله‌ها ندارند. این اجرام تئوری می‌توانند به فیزیکدان‌ها در درک بهتر فضا زمان و همچنین پاسخ به پرسش‌های دیرینه درباره‌ی جهان کمک کنند.

کرم‌چاله‌ها همیشه موضوعی داغ برای داستان‌ها و فیلم‌های علمی تخیلی بودند.

کرم‌چاله در واقع راه‌حلی خاص برای معادله‌هایی است که نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین را توصیف می‌کنند. یک کرم‌چاله مانند تونلی برای اتصال دو نقطه‌ی دوردست از فضا زمان عمل می‌کند. در شرایط ایده‌آل طول تونل کوتاه‌تر از فاصله‌ی عادی بین دو نقطه است. گرچه کرم‌چاله‌ها در داستان‌ها و فیلم‌های علمی تخیلی زیاد دیده می‌شوند، در دنیای واقعی هنوز در حد فرضیه هستند.

آلبرت اینشتین و ناتان روزن در سال ۱۹۳۵، ساده‌ترین راه‌حل ممکن را برای کرم‌چاله‌ها کشف کردند. به همین دلیل گاهی به کرم‌چاله‌ها، «پل‌های اینشتین، روزن» هم گفته می‌شود. اینشتین و روزن کار را با راه‌حل ریاضی برای یک سیاه‌چاله آغاز کردند که ترکیبی از یک تکینگی (نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت) و یک افق رویداد (منطقه‌ی اطراف تکینگی که هیچ چیز نمی‌تواند از آن فرار کند) است. آن‌ها متوجه شدند که می‌توان این راه‌حل را به نقطه‌ی مقابل سیاه‌چاله یعنی سفیدچاله هم گسترش داد.

سفیدچاله‌های فرضی در واقع حاوی یک تکینگی هستند اما دقیقاً برعکس سیاه‌چاله عمل می‌کنند: هیچ‌چیز نمی‌تواند وارد افق رویداد یک سفیدچاله شود و هر ماده‌ای که وارد سفید چاله شود، بلافاصله دفع می‌شود. اینشتین و روزن متوجه شدند که از لحاظ تئوری، هر سیاه‌چاله با یک سفید چاله جفت شده است. ازآنجاکه دو چاله در دو منطقه‌ی متفاوت فضا وجود دارند، تونلی به نام کرم‌چاله آن‌ها را به یکدیگر وصل می‌کند.

برای عبور از کرم‌چاله، کرم‌چاله باید پایدار باشد

کرم‌چاله‌ای که از یک جفت سیاه‌چاله و سفیدچاله ساخته شده باشد چندان مفید نخواهد بود. چراکه سفیدچاله‌ها معمولاً ناپایدار هستند. اگر ذره‌ای را به سمت افق رویداد یک سفید چاله بیندازید، این ذره هرگز به افق رویداد نمی‌رسد زیرا هیچ‌چیز نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود؛ بنابراین انرژی سیستم تا بی‌نهایت افزایش می‌یابد و در نهایت باعث انفجار سفیدچاله می‌شود.

در درجه‌ی دوم حتی اگر سفید‌چاله‌ها وجود داشتند تنها راه ورود به آن‌ها عبور از افق رویداد سیاه‌چاله در آن سوی کرم‌چاله بود؛ اما به محض اینکه چیزی از افق رویداد سیاه‌چاله عبور کند هرگز قادر به ترک آن نخواهد بود؛ بنابراین اجرام می‌توانند وارد کرم‌چاله شوند اما نمی‌توانند از آن بگریزند.

از سوی دیگر، کرم‌چاله‌ها خود ناپایدار هستند. یک فوتون یا ذره‌ی نور که از تونل کرم‌چاله عبور می‌کند می‌تواند به‌قدری انرژی تولید کند که تونل دچار فروپاشی شود. فیزیک‌دان‌ها در دهه‌ی ۱۹۷۰، محاسبات ریاضی لازم برای پایدار ساختن کرم‌چاله را ارائه دادند. برای این کار ورودی کرم‌چاله باید در آن‌سوی افق رویداد سیاه‌چاله باشد و همچنین مواد عبوری نباید به فروپاشی تونل بینجامند.

ماده‌ی اولیه و کلیدی برای پایدارسازی کرم‌چاله‌ها، ماده‌ی عجیب یا نوعی ماده با جرم منفی است. متأسفانه دانشمندان تاکنون هرگز به شواهدی از جرم منفی دست نیافته‌اند و این ماده قانون پایستگی گشتاور را نقض می‌کند که براساس آن در صورت اعمال هیچ نیرویی، گشتاور باید ثابت بماند. ماده با جرم منفی در کنار ماده‌ با جرم مثبت می‌تواند بدون منبع انرژی، بلافاصله شتاب بگیرد.

اگر کرم‌چاله وجود داشت، ظاهری بسیار عجیب داشت. ورودی کرم‌چاله به یک کره درست مشابه سطح یک سیاره شباهت دارد. اگر به داخل کرم‌چاله نگاه کنید می‌بینید نور از سمت دیگر کرم‌چاله وارد می‌شود. تونل کرم‌چاله می‌تواند هر طولی داشته باشد و در حین مسافرت در تونل ممکن است با چشم‌اندازهای کج‌شکلی از منطقه‌ی جهانی که از آن می‌آیید و مقصد خود روبه‌رو شوید.

کرم‌چاله‌ها در مقیاس‌های میکروسکوپی در حباب کوانتومی به وجود می‌آیند

با اینکه پژوهشگرها هرگز کرم‌چاله‌ای را در جهان واقعی کشف نکردند، اغلب اوقات می‌توانند کرم‌چاله‌ها را در راه‌حل‌هایی برای معادله‌های مهم فیزیکی ببینند. در واقع کرم‌چاله‌ها یکی از راه‌حل‌های معادله‌های نظریه‌های اینشتین درباره‌ی فضا زمان و نسبیت عام هستند. این نظریه شکل جهان و چگونگی حرکت ستاره‌ها، سیاره‌ها و دیگر اجرام جهان را توصیف می‌کند. ازآنجاکه نظریه‌ی اینشتین بارها و بارها تست شده است و به‌عنوان راه‌حلی صحیح اثبات شده است، برخی دانشمندان انتظار دارند کرم‌چاله‌ها هم جایی در جهان وجود داشته باشند. اما برخی از دانشمندان دیگر تصور می‌کنند کرم‌چاله‌ها ممکن نیست وجود داشته باشند زیرا بسیار ناپایدار هستند.

در حال حاضر هیچ کرم‌چاله‌ی واقعی در جهان وجود ندارد و کرم‌چاله‌ها اجرامی کاملاً فرضی هستند. گرچه بعید است ماده‌ی عجیب وجود داشته باشد. راه دیگری برای پایدارسازی کرم‌چاله‌ها وجود دارد: انرژی منفی.

خلأ فضازمانی پر از میدان‌های کوانتومی است. بلوک‌های سازنده‌ی بنیادی کوانتومی باعث ایجاد نیروها و ذره‌هایی می‌شوند که تجربه می‌کنیم و این میدان‌های کوانتومی دارای انرژی درونی هستند. در برخی سناریوهای ساختگی، انرژی کوانتومی در یک منطقه‌ی خاص می‌تواند کمتر از محیط اطراف باشد و به‌این‌ترتیب انرژی منفی در یک سطح محلی ایجاد شود. این انرژی منفی در جهان واقعی به شکل اثر کاسیمیر وجود دارد. براساس این تعریف، انرژی‌های کوانتومی منفی بین دو صفحه‌ی موازی فلزی باعث می‌شوند دو صفحه به یکدیگر جذب شوند.

اما هیچ‌کس نمی‌داند آیا می‌توان از انرژی کوانتومی منفی برای پایدارسازی یک کرم‌چاله استفاده کرد. شاید این انرژی از نوع مناسب انرژی منفی نباشد زیرا تنها با محیط اطراف رابطه‌ی منفی دارد نه به شیوه‌ای مطلق. کرم‌چاله‌ها معمولاً در مقیاس‌های میکروسکوپی در حباب کوانتومی رخ می‌دهند؛ که همان ماهیت فضازمانی در مقیاس‌های کوچک است. در این صورت، کرم‌چاله‌ها به صورت پیوسته ظاهر می‌شوند و از بین می‌روند؛ اما چگونه می‌توان این کرم‌چاله‌ها را در ابعاد بزرگ ایجاد کرد به‌گونه‌ای که بتوان در آن‌ها قدم زد و درعین‌حال پایداری این اجرام را حفظ کرد؟ هنوز مشخص نیست.

براساس نظریه‌ها، کرم‌چاله می‌توانند مانند یک ماشین زمان عمل کند. براساس نظریه‌ی نسبیت خاص، ساعت در حال حرکت به کندی می‌گذرد. به‌بیان‌دیگر، زمان برای شخصی که با سرعت نور حرکت می‌کند مانند شخصی که ثابت ایستاده است نمی‌گذرد.

اگر دانشمندان بتوانند یک کرم‌چاله را بازسازی کنند، در ابتدا دو طرف کرم‌چاله از نظر زمانی هماهنگ هستند؛ اما اگر یک طرف با سرعتی نزدیک به‌سرعت نور شتاپ بگیرد، به‌این‌ترتیب یکی از ورودی‌ها در گذشته‌ی دیگری قرار می‌گیرد. برای سفر به گذشته، باید به یک سمت حرکت کنید. در این حالت، وقتی از کرم‌چاله خارج شدید، به گذشته‌ی خود سفر می‌کنید. بنابراین می‌توان گفت که در این حالت سفر در زمان ازطریق یک کرمچاله ممکن خواهد بود.

سیاه‌چاله برخلاف کرم‌چاله راه خروجی ندارد

از طرفی کرم‌چاله‌ها مانند تونلی فضازمانی عمل می‌کنند که دو نقطه‌ی دوردست را به یکدیگر وصل می‌کنند. بااین‌حال کرم‌چاله‌ها براساس قوانین فعلی هم ثباتی ندارند و برای حفظ آن‌ها به جرم منفی یا انرژی منفی نیاز است. بااینکه کرم‌چاله‌ها اجرام نظری جذابی هستند، وجود آن‌ها در جهان واقعی هنوز از سوی جامعه‌ی علمی اثبات و پذیرفته نشده است؛ اما به این معنی نیست که به هیچ وجه نمی‌توانند وجود داشته باشند. برای مثال سیاه‌چاله‌ها تا سال ۱۹۱۰ اثبات نشدند.

اینشتین معادله‌های معروف خود را برای اولین بار در سال ۱۹۱۵ منتشر کرد و کارل شوارتزشیلد تنها پس از یک سال، راهی برای توصیف ریاضی سیاه‌چاله‌ها پیدا کرد. بااین‌حال، این تعریف به‌قدری عجیب بود که دانشمندان آن زمان وجود اجرامی مانند سیاه‌چاله را رد کردند. از آن زمان پنجاه سال طول کشید تا دانشمندان به‌طورجدی به سیاه‌چاله‌ها فکر کنند. همین مسئله برای کرم‌چاله‌ها هم حقیقت دارد و مدتی به طول می‌انجامد که وجود یا عدم وجود آن‌ها اثبات شود. بااین‌حال اگر دانشمندان در آینده کرم‌چاله‌های واقعی را کشف کنند، این کشف می‌توانند نگاه بشریت به جهان را تغییر دهد.

بااینکه هنوز وجود کرم‌چاله‌ها در جهان واقعی اثبات نشده است، می‌توان در آزمایشگاه و تحت شرایط کنترل‌شده در مقیاس‌های کوچک، شرایط کرم‌چاله را شبیه‌سازی کرد. به‌تازگی فیزیک‌دان‌ها از کامپیوتر کوانتومی برای اجرای نوع جدیدی از تله‌‌پورت کوانتومی یا قابلیت انتقال وضعیت بین نقاط دوردست استفاده کردند. در این حالت اطلاعات به‌صورت آنی منتقل می‌شوند. گرچه تله‌پورت یکی از تکنیک‌های مهم فناوری کوانتومی است، هدف این آزمایش شبیه‌سازی رفتار کرم‌چاله بود.

آن‌ها برای ساخت کرم چاله به شبیه‌سازی دو سیاه‌چاله‌ی کوچک در یک کامپیوتر کوانتومی پرداختند و پیغامی را ازطریق تونل فضا زمانی بین دو سیاه‌چاله منتقل کردند. براساس اطلاعات کوانتومی تله‌پورت شده، یک کرم‌چاله‌ی قابل پیمایش در این آزمایش به وجود آمد. گرچه این کرم‌چاله به‌صورت فیزیکی ایجاد نشد. پژوهشگرها امیدوار هستند بتوانند مرحله‌به‌مرحله، کرم‌چاله‌های بزرگ‌تری بسازند. گرچه آن‌ها کرم‌چاله‌ی واقعی و فیزیکی نساختند اما ممکن است این هدف هم در آینده میسر شود.

۱. کرم‌چاله‌ها دارای دو دهانه و یک گلوگاه هستند که این دو دهانه را به یکدیگر وصل می‌کند.

۲. کرم‌چاله‌ها به صورت مرتب ظاهر می‌شوند اما نمی‌توان آن‌ها را ثبت کرد یا از آن‌ها استفاده کرد زیرا تنها در چند ثانیه متلاشی می‌شوند.

۳. کرم‌چاله‌ها به‌شدت ناپایدار هستند و هر ماده‌ی خارجی اطراف آن‌ها باعث فروپاشی‌شان می‌شود و این مسئله می‌تواند به انتشار تشعشعات بینجامد.

۴. اگر کسی بتواند وارد کرم‌چاله‌ شود نمی‌توان گفت مقصد او کجا خواهد بود. ممکن است شخص به زمانی متفاوت یا جهانی متفاوت منتقل شود.

۵. اگر با استفاده از کرم‌چاله مسافرت کنید ممکن است هیچ راه برگشتی به همان نقطه‌ی مبدأ پیدا نکنید. بنابراین سفر کرم‌چاله‌ای ممکن است بلیطی یک‌طرفه باشد.