چطور در سه مرحله تقریباً غیرممکن کرم‌چاله بسازیم؟

فرض کنید فضاپیمای آخرین مدلی دراختیار دارید و می‌خواهید به توری پنج ساله در اعماق کهکشان بروید؛ اما یک مشکلی وجود دارد؛ فضا بیش از اندازه بزرگ است و حتی با بیشترین سرعت قابل تصور هم، هزاران سال طول می‌کشد تا از میان خلا‌های بین‌ستاره‌ای رد شوید تا درنهایت به مقصدی جالب‌توجه برسید.

راه‌حل این مشکل، ساخت کرم‌چاله است؛ یک میانبر، تونل یا پلی در میان فضازمان که به شما امکان می‌دهد تمام آن مسیر خسته‌کننده را در یک چشم به هم زدن طی کنید تا به جاهای هیجان‌انگیز برسید. کرم چاله ها پای ثابت داستان‌های علمی‌تخیلی اکتشاف فضا هستند، اما در عین حال ریشه در واقعیت‌های علمی دارند. ایجاد کرم‌چاله مگر چقدر می‌تواند سخت باشد؟ بگذارید خیالتان را راحت کنیم و جواب را همین اول ماجرا به شما بدهیم؛ فوق‌العاده سخت!

پیش از هرچیزی این را باید بدانید که وجود کرم‌چاله‌ها را می‌توان کاملاً با ریاضیات نسبیت عام که زاییده‌ی ذهن سرشار از نبوغ آلبرت اینشتین است، اثبات کرد. اگر برایتان سؤال شده که چرا برای اثبات کرم‌چاله سراغ نسبیت عام می‌رویم، به این خاطر است که پایه‌ی فهم کنونی ما از گرانش است و هم اینکه ریاضیات آن نسبتاً سرراست است.

اینشتین متوجه شد که اگرچه ما گرانش را شبیه یک نیرو تجربه می‌کنیم و حتی به آن «نیروی گرانش» می‌گویم، در واقع گرانش چیزی نیست جز حسی که هنگام حرکت از میان برآمدگی‌ها، تکان‌ها و موج‌های فضازمان تجربه می‌کنیم و این پستی و بلندی‌ها از توزیع مختلف ماده و انرژی در فضازمان ناشی می‌شوند.

به‌عبارت دیگر، ماده باعث خمیدگی فضازمان می‌شود و درمقابل، خمیدگی فضازمان نحوه‌ی حرکت ماده را تعیین می‌کند، نه اینکه زمین واقعا نیرویی داشته باشد که بخواهد ماه را به سمت خودش بکشد. اگر بخواهیم در فضازمان، تونل یا همان کرم‌چاله ایجاد کنیم، باید به آرایشی از ماده یا انرژی برسیم که فضازمان را طوری به دور خود خمیده کند که تونلی که دنبال آن هستیم، ظاهر شود.

جرم کره‌ زمین باعث خمیدگی فضازمان و حرکت ماه در اطراف این خمیدگی می‌شود

شاید در نگاه اول اینطور به‌نظر بیاید که ساده‌ترین راه ساختن کرم‌چاله، ایجاد سیاه چاله است. سیاه‌چاله‌ها مناطقی در فضازمان هستند که از باقی جهان هستی جدا شده‌اند. به‌نوعی می‌توان آن‌ها را سوراخ‌هایی در خود تاروپود فضازمان دانست؛ نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت به نام تکینگی (singularity) که دور آن را حصاری یک‌طرفه و بی‌بازگشت موسوم به افق رویداد (event horizon) فرا گرفته است.

با رد شدن از افق رویداد، هجوم گرانش چنان خردکننده و شدید می‌شود که هیچ‌ چیز، حتی نور هم نمی‌تواند از چنگال آن فرار کند. برای همین است که ورود به درون سیاه‌چاله سفری یک‌طرفه است. به محض اینکه وارد سیاه چاله شویم، رسیدن‌مان به نقطه‌ی تکینگی و تبدیل شدنمان به اسپاگتی (به قول استیون هاوکینگ) تضمین‌شده و حتمی است.

وقتی فیزیکدانان نظری از خود پرسیدند چه می‌شود وقتی ماده را آنقدر به هم فشرده می‌کنیم تا به چگالی بی‌نهایت برسد، به‌طوری که هیچ نیروی دیگری قدرت مقابله با گرانش آن را نداشته باشد، جواب ظاهر شدن سیاه‌چاله بود. اما سیاه‌چاله‌ها تنها جواب این سؤال نیستند. ریاضیات نسبیت عام به‌طرز شگفت‌انگیزی ظهور پدیده‌ای کاملاً برعکس سیاه‌چاله را نیز پیش‌بینی می‌کند که به سفیدچاله (white hole) معروف است. سفیدچاله‌ها هم در مرکز خود نقطه‌ی تکینگی دارند، اما افق رویدادشان درست برعکس سیاه‌چاله‌ها عمل می‌کند؛ به این معنی که هیچ چیزی نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود و هرچیزی که در لحظه‌ی شکل‌گیری سفیدچاله داخل آن باشد، سریع‌تر از سرعت نور به بیرون پرتاب می‌شود.

حالا همه‌ی این‌ها اصلا چه ربطی به سیاه‌چاله‌ها دارد؟ ریاضیات نسبیت عام می‌گوید وقتی یک سیاه‌چاله متولد می‌شود، به‌طور خودکار یک سفید‌چاله‌ی چسبیده به آن نیز ایجاد می‌شود؛ وقتی هم که یک سیاه‌چاله و یک سفیدچاله‌ی چسبیده به هم داشته باشیم، یعنی یک در ورودی و یک در خروجی، این همان تعریف سازوکار کرم‌چاله است.

به این روش ساخت کرم‌چاله، پل اینشتین-روزن به افتخار اینشتین و همکارش نیتان روزن که آن را کشف کردند، یا اگر اسم پیچیده‌تر آن را می‌خواهید، گسترش ماکسیمال متریک شوارتزشیلد (maximally extended Schwarzschild metric) می‌گویند. این روش ساخت کرم‌چاله مثل روز روشن در نسبیت عام آمده است.

اما این روش دو مشکل کوچک دارد؛ اول اینکه سفیدچاله‌ها عملا وجود خارجی ندارند، چون انرژی آن‌ها به‌قدری زیاد است که باعث ناپایداری صددرصدی آن‌ها می‌شود. تقصیر هم گردن افق رویداد معکوس سفیدچاله است که هرگز اجازه‌ی ورود چیزی را به داخل نمی‌دهد، اما مرتب همه‌چیز را به بیرون پرتاب می‌کند.

ازآنجاکه سفیدچاله دقیقاً همان سیاه‌چاله است و فقط در زمان به عقب حرکت می‌کند، شکل‌گیری سفیدچاله نیز دقیقاً شبیه شکل‌گیری سیاه‌چاله است، اما به‌صورت معکوس؛ یعنی زمانی که یک ستاره کلان‌جرم می‌میرد، سیاه‌چاله متولد می‌شود؛ پس زمانی که سفیدچاله تشکیل می‌شود، یک ستاره به‌طور خودبه‌خود متولد می‌شود. اما مسئله اینجا است که نمی‌توان خود‌به‌خود و دل‌بخواه ستاره تولید کرد، چون با قانون دوم ترمودینامیک یا همان آنتروپی که می‌گوید همه‌چیز در جهان به سمت نابودی و آشفتگی حرکت می‌کند، در تناقض است؛ تماشای شکل‌گیری سفیدچاله مثل تماشای تبدیل شدن نیمرو به تخم‌مرغ سالم است و این با آنتروپی و قوانین فیزیک تناقض دارد. پس باید در عمل قید سفید‌چاله‌ها را زد.

به‌عبارت دیگر، در دنیای منظم و مرتب ریاضیات نسبیت عام، وجود سفیدچاله منطقی است اگرچه هنوز خیلی چیزها درباره‌ی آن نمی‌دانیم؛ اما اگر بخواهیم ریاضیات را کنار گذاشته و در دنیای واقعی یک سیاه‌چاله ایجاد کنیم، سفیدچاله هرگز همراه با آن ایجاد نخواهد شد، چون تمام موادی که بخواهیم برای ایجاد سفیدچاله به کار بریم، در همان نطفه به‌خاطر نیروی گرانشی‌ بسیار قوی‌اش از بین می‌رود و فقط سیاه‌چاله باقی می‌ماند.

شکل‌گیری سفیدچاله شبیه تماشا کردن ویدیوی شکل‌گیری سیاه‌چاله به‌صورت برعکس است؛ با شکل‌گیری هر دو، یک کرم‌چاله ظاهر می‌شود

اگر روزی بتوانیم یک جفت سیاه‌چاله/سفیدچاله بسازیم، آن‌وقت یک کرم‌چاله خواهیم داشت، اما راستش آن کرم‌چاله‌ای که برای سفر در کهکشان لازم داریم، نخواهد بود. مشکل بزرگ پل‌های اینشتین-روزن این است که ورودی کرم‌چاله درست درون افق رویداد سیاه‌چاله قرار دارد؛ به این معنی که برای سفر ازطریق این کرم‌چاله باید از حصار یک‌طرفه‌ی آن عبور کنیم. اما ماهیت یک‌طرفه بودن افق رویداد به این معنی است که وقتی که وارد آن شدیم، دیگر راه برگشتی در کار نیست و در هر صورت باید به نقطه تکینگی برسیم و مرگ بسیار دردناکی را تجربه کنیم.

پس با این حساب، برای ساختن کرم‌چاله‌ای قابل‌استفاده که ما را در نقطه‌ی تکینگی به اسپاگتی تبدیل نکند، لازم است درِ ورودی را خارج از افق رویداد قرار دهیم. بدین‌ترتیب، می‌توانیم با خیال آسوده وارد تونل کرم‌چاله شویم و از برخورد با نقطه‌ی تکینگی در امان بمانیم. اینجا هم لازم است برای تعیین آرایش خاص ماده و انرژی، سراغ ریاضیات نسبیت عام برویم و اینشتین هم دوباره به ما می‌گوید که ساخت چنین کرم‌چاله‌ای کاملاً ممکن است. فقط یک مشکل کوچک وجود دارد؛ پایداری.

کرم‌چاله‌ها به‌طرز خارق‌العاده‌ای ناپایدار هستند. درست است که فیزیک ساخت تونلی که دو منطقه‌ی دوردست در فضا و زمان را به هم متصل کند، ممکن می‌داند، اما به‌محض اینکه هر چیزی، حتی یک ذره فوتون ناقابل از این تونل عبور کند، فورا شبیه کش لاستیکی بیش از حد کشیده شده از هم جدا می‌شود و سریع‌تر از سرعت نور فرو می‌ریزد.

بنابراین باید سراغ معیار دومی برویم تا این کرم‌چاله را پایدار کند و اجازه دهد اجسام بزرگی چون فضاپیما‌ها بدون فروپاشیِ تونل از آن عبور کنند. دوباره نسبیت عام به ما می‌گوید دقیقاً چه کاری باید انجام دهیم. مایکل موریس و کیپ تورن، فیزیکدانان آمریکایی، راه‌حل پایدار کردن کرم‌چاله را در سال ۱۹۸۸ کشف کردند. این دو متوجه شدند که در لایه‌‌های مخفی ریاضیات نسبیت عام، راه‌حلی برای ساخت کرم‌چاله‌ی پایدار و قابل‌استفاده وجود دارد که درِ ورودی آن بالای افق رویداد قرار دارد.

موریس و کیپ متوجه شدند برای ساخت کرم‌چاله‌ی پایداری که بتوان از داخل آن به اعماق کهکشان سفر کرد،‌ تنها به یک ماده‌ نیاز است که به آن ماده‌ی منفی (negative matter) یا گاهی ماده‌ی اگزاتیک (exotic matter)‌ می‌گویند. دقت کنید که ماده‌ی منفی با پادماده (antimatter) با بار الکتریکی مخالف ماده‌ی معمولی و ماده‌ی تاریک (dark matter) که بخش اعظم جهان هستی را تشکیل می‌دهد، اما قابل مشاهده نیست، فرق دارد.

وقتی ماده‌ی منفی را به معادلات ساخت کرم‌چاله اضافه می‌کنیم، به‌طرز شگفت‌انگیزی می‌تواند دهانه‌ی کرم‌چاله را برای ورود اجسامی به بزرگی فضاپیما گشاد و تأثیر ناپایدارکننده‌ی ماده‌ی معمولی را خنثی کند. اما ماده‌ی منفی دقیقاً چیست؟

منظور از ماده‌ی منفی، ماده‌ای با جرم منفی است. تصور کنید یک توپ بولینگ برداشته‌اید که وزنش منفی ۱۶ پوند باشد. یا مثلا به قصابی رفته‌اید و باید برای گوشتی که وزن آن منفی دو کیلوگرم است، پول پرداخت کنید. اگر این مثال‌ها عجیب‌وغریب و دور از ذهن به‌نظر می‌رسد به این خاطر است که درک ماده‌ی منفی واقعا عجیب‌وغریب و دور از ذهن است. راستش را بخواهید ما هیچ نمونه‌ای از ماده‌ی منفی در هیچ‌کجای جهان هستی سراغ نداریم و اگر هم روزی ماده‌ی منفی پیدا کنیم، هرآنچه تا امروز از فیزیک می‌دانیم را باید دور بریزیم.

اگر به توپی با جرم منفی ضربه بزنیم، توپ در جهت خلاف ضربه‌ی ما پرتاب خواهد شد. اگر هم آن را رها کنیم، به سمت بالا حرکت خواهد کرد. اگر یک ماده‌ی منفی را کنار یک ماده‌ی مثبت (همان ماده‌ی معمولی) قرار دهیم، ماده‌ی منفی بر ماده‌ی معمولی فشار وارد می‌کند و ماده‌ی معمولی هم ماده‌ی منفی را به سمت خود می‌کشد و این دو بدون آنکه هیچ ضربه‌ای به آن‌ها وارد شود، با سرعت بی‌نهایت بالا به‌دنبال هم به حرکت در‌می‌آیند.

ماده منفی صرفاً با وجود داشتن در جهانی که می‌شناسیم، قوانین حرکت و پایستگی انرژی را نقض می‌کند؛‌ و اگرچه هیچ قانون فیزیکی صددرصد قطعی نیست و مشاهدات جدید ممکن است معلومات کنونی را نقض کند، احتمال وجود ماده‌ی منفی خیلی خیلی بعید است.

برخلاف ماده‌ی منفی، انرژی منفی یا انرژی اگزاتیک وضعیت بهتری دارد. جهان هستی اجازه‌ی وجود انرژی منفی را می‌دهد و دردسترس‌ترین نوع انرژی منفی در خلا خود فضازمان یافت می‌شود.

فیزیک مدرن به دنیا از درون لنز‌های میدان‌های کوانتومی نگاه می‌کند که در کل فضازمان وجود دارند. این میدان‌های کوانتومی با یکدیگر هم‌پوشانی دارند و به روش‌های پیچیده و جالبی با هم در تعامل هستند. برای هر ذره‌ی شناخته شده‌ای در فضا، یک میدان متناظر وجود دارد؛‌ مثلا میدان فوتون (که معمولاً به‌عنوان میدان الکترومغناطیس شناخته می‌شود)، میدان الکترون، میدان کوارک سَر (top quark) و غیره.

سازه‌ای مفهومی از پل اینشتین-روزن

اگر یک تکه از فضازمان را برداریم و تمام ذرات را از آن خارج کنیم تا به خلا کامل برسیم، هنوز میدان‌های متناظر آن‌ها در این تکه باقی مانده‌اند. این میدان‌ها به خاطر اینکه همواره در حال ارتعاش هستند، در خود انرژی زیادی دارند که تمام‌نشدنی است. فیزیکدانان سناریو‌های هوشمندانه‌ای تعریف کرده‌اند که می‌توان بخشی از این انرژی بی‌نهایتِ میدان‌های بدون ذره را به منطقه‌ای انتقال داد تا به انرژی منفی دست پیدا کنیم. یکی از این سناریوها به اثر کاسیمیر (Casimir effect) به افتخار فیزیکدان هلندی، هندریک کاسیمیر معروف است.

اثر کاسیمیر می‌گوید اگر دو ورقه‌ی فلزی را در موازات و در فاصله‌ی بی‌نهایت نزدیک از یکدیگر قرار دهید، انواع ارتعاشاتی را که می‌تواند بین آن‌ها وجود داشته باشد، محدود کرده‌اید. البته مقدار این ارتعاشات هنوز بی‌نهایت است، اما میزان بی‌نهایت بودنشان کمتر از ارتعاشاتی است که بیرون از فضای بین این دو ورقه در حال وقوع است. بعد با یک سری ترفند‌های دقیق ریاضی می‌توان میزان بی‌نهایت ارتعاشات بین دو ورقه را از ارتعاشات بیرون کم کرد تا به انرژی منفی رسید که درواقع خود را به‌شکل نیروی جاذبه بین دو ورقه نشان می‌دهد.

اثر کاسیمیر کاملاً واقعی و اندازه‌گیری شده است و به‌خاطر همین اثر است که ساخت دستگاه‌هایی در مقیاس نانو چالش‌برانگیز است. انرژی منفی در جهان ما واقعیت دارد و جایی که انرژی منفی وجود داشته باشد، می‌توان به ساخت کرم‌چاله‌هایی پایدار و قابل‌استفاده فکر کرد؛ اما باز سروکله‌ی یک مشکل پدیدار می‌شود. برای اینکه بتوانیم کرم‌چاله‌ای را به کمک انرژی منفی بسازیم، باید پیش از آن، یکی از بزرگ‌ترین مشکلات فیزیک را حل کنیم.

فیزیکدانان مطمئن هستند که راه‌حل نهایی ساخت کرم‌چاله در قلمروی ناشناخته‌ی گرانش کوانتومی، یعنی پیوند مکانیک کوانتومی با نسبیت عام نهفته است. نسبیت عام به ما می‌گوید که وجود کرم‌چاله محتمل است، اما فقط تحت شرایط خاص، مثلا در حضور انرژی منفی. از آن سو، مکانیک کوانتومی که رفتار میدان‌های کوانتومی را شرح می‌دهد، به ما می‌گوید چطور انرژی منفی به دست آوریم. مشکل بزرگ اینجا است که ما هنوز مطمئن نیستیم چطور این دو قطعه‌ی پازل کنار هم قرار می‌گیرند، چون هنوز هیچ نظریه‌‌ی جامعی درباره‌ی گرانش کوانتومی نداریم.

تأثیرات گرانش و خمیدگی فضا را می‌توان به‌راحتی در سیستم‌های بزرگ مثل سیاره‌ها و ستاره‌ها مشاهده کرد؛ اما وقتی فیزیکدانان می‌خواهند خمیدگی فضا را دور ذرات بسیار ریزی مثل الکترون اندازه‌گیری کنند، انجام چنین کاری غیرممکن می‌شود و به همین خاطر است که ما هنوز در رسیدن به درک درستی از گرانش کوانتومی با مشکل رو‌به‌رو هستیم.

نبود نظریه‌ی جامعی درباره‌ی گرانش کوانتومی باعث می‌شود ندانیم انرژی منفی کشف شده در موقعیت‌هایی نظیر اثر کاسیمیر دقیقاً همان انرژی منفی مد نظر ما برای ساخت کرم‌چاله باشد. منفی بودن این انرژی در مقایسه با نقاط دیگر جهان هستی است، اما شاید برای ایجاد کرم‌چاله به نوعی انرژی‌ نیاز داشته باشیم که به‌طور مطلق منفی باشد نه در مقایسه با مناطق دیگر جهان و خب در این صورت، دستیابی به این انرژی به اندازه‌ی ماده‌ی منفی، وارد حوزه‌ی داستان‌های علمی‌تخیلی می‌شود.

از سوی دیگر، انرژی منفی اثر کاسیمیر به‌شدت ضعیف است و فقط در فاصله‌ی بسیار نزدیک بین دو ماده به‌وجود می‌آید؛ متأسفانه فیزیکدانان هنوز نمی‌دانند چطور می‌توان این اثر را در فواصل بزرگ‌تر ایجاد کرد.

شاید بتوانیم کر‌م‌چاله را با ساختارهای عجیب‌تری بسازیم؛ مثلا ریسمان‌های کیهانی (cosmic strings). ریسمان‌های کیهانی در‌حال‌حاضر مفهومی کاملاً نظری هستند و به شکستگی‌هایی اشاره ‌می‌کنند که از زمان جدا شدن چهار نیروی طبیعت از یکدیگر، در فضازمان به جا مانده‌اند. شاید بتوان راهی پیدا کرد تا این ریسمان‌ها را از دهانه‌ی کرم‌چاله عبور داد و انتهای آن‌ها را مانند کابل‌هایی که یک پل معلق را سر جایش نگه می‌دارند، به خروجی کرم‌چاله گره زد تا بدین‌ترتیب کرم‌چاله برای عبور فضاپیمای ما پایدار شود. اما اگرچه اکثر کیهان‌شناسان به وجود ریسمان‌های کیهانی اطمینان دارند، تاکنون چنین ریسمانی در جهان مشاهده نشده است.

فیزیکدانان نظری همچنین کشف کرده‌اند که برخی از نظریه‌های گرانش اصلاح‌شده که ابتدا برای توضیح پدیده‌ی انرژی تاریک مطرح شده‌ بودند، شاید بتوانند وجود کرم‌چاله‌های پایدار را بدون استفاده از هیچ‌گونه ماده یا انرژی منفی ممکن کنند. اما این نظریه‌ها همچنین پیش‌بینی می‌کنند که سرعت گرانش از سرعت نور کمتر است؛ درحالی‌که مشاهدات ۲۰۱۷ از امواج گرانشی ساطع شده از یک کیلونُوا که از برخورد دو ستاره‌ی نوترونی به‌وجود می‌آید، نشان داد گرانش و نور تقریباً با سرعت یکسان حرکت می‌کنند.

نظریه‌ی ریسمان در تلاش است با جایگزین کردن ذرات نقطه‌ای در فیزیک با شی‌های رشته‌ای و غشایی، مشکل گرانش کوانتومی را حل کند. حتی برخی نظریه‌پردازان کشف کرده‌اند که نظریه‌ی ریسمان می‌تواند وجود کرم‌چاله‌های پایدار را پیش‌بینی کند؛ اما متأسفانه نظریه‌ی ریسمان، نظریه‌ی کاملی نیست و تا اینجا موفق به ارائه‌ی نظریه‌ی قابل‌قبولی برای سازوکار فیزیک نشده است.

تحقیقات پیرامون ماهیت میدان‌های کوانتومی در نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله‌ها نشان داده است که شاید، شاید بتوان کرم‌چاله‌ای پایدار را با تغییر شکل آن ایجاد کرد؛ اما دهانه‌ی این کرم‌چاله‌ها باید بی‌نهایت کوچک، چیزی حدود ۱۰ به‌توان منفی ۳۵ باشد که خب، برای عبور فضاپیما اصلا ایدئال نیست (مگر اینکه فضاپیمای ما از نوع اتوبوس جادویی خانم فریزل در کارتون سفرهای علمی باشد!)‌. ریاضیات این نظریه هم وابسته به فرضیات ساده‌انگارانه‌ای درباره ماهیت گرانش کوانتوم است که اصلا شاید درست نباشد.

تحقیقات کنونی درباره ساخت کرم‌چاله همین‌جا به پایان می‌رسد. کرم‌چاله‌ از آن جهت برای فیزیکدانان شگفت‌انگیز است که آزمایشگاه قدرتمندی را برای مطالعه‌ی گرانش کوانتومی دراختیار آن‌ها قرار می‌دهد. در آخر، اگرچه فعلا بهتر است سفر به کهکشان آندرومدا را عقب بیندازید چون هنوز راه‌حل ساخت کرم‌چاله‌ای پایدار را کشف نکرده‌ایم، امیدتان را از دست ندهید! ما نمی‌توانیم با صددرصد اطمینان بگوییم که ساخت کرم‌چاله غیرممکن است. از کجا معلوم؛ شاید ۵۰۰ یا هزار سال دیگر وقتی آیندگان به این مقاله دست پیدا کنند، به ساده‌لوحی ما بخندند؛ چون راه‌حل ساخت کرم‌چاله تمام مدت جلوی چشمان‌مان بود و ما ندیدیم!