ساخت کرمچاله غیرممکن در سه مرحله
آیا قصد سفر به کهکشان آندرومدا را دارید؟ دست نگه دارید! برای انجام این سفر هیجانانگیز، ابتدا لازم است در سه مرحلهی تقریباً غیرممکن یک کرمچاله بسازید.
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!
قدم اول: پل اینشتین-روزن (Einstein-Rosen Bridge)
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
هعبارت 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.

ساخت کرمچاله غیرممکن در سه مرحله
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.
سفیدچالهها در مرکز نقطه تکینگی دارند اما افق رویداشان برعکس سیاهچاله عمل میکند
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.
دردسرهای سیاهچالهای
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.

ساخت کرمچاله غیرممکن در سه مرحله
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.
قدم دوم: پل موریس-تورن (Morris-Thorne Bridge)
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 فوقالعاده ناپایدار هستند و سریعتر از نور فرو میریزند
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.
دردسرهای مادهی منفی
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؟
ماده منفی مادهای با جرم منفی است که احتمال وجود آن بسیار بعید است
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.
قدم سوم: پل انرژی اگزاتیک (Exotic Energy Bridge)
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.

ساخت کرمچاله غیرممکن در سه مرحله
سازهای مفهومی از پل اینشتین-روزن