کرم‌چاله

کرم‌چاله

کِرم‌چاله در فیزیک یک پل میانبر فرضی در فضازمان است. کرم‌چاله‌ها ساختار و بُعد فضازمان را شکسته و باعث ایجاد تونلی و حفره‌ای می‌شوند که سرعت یک ماده در آن از سرعت نور بیشتر خواهد شد. همچنین کرم‌چاله‌ها بُعد و ساختار فضا را نیز شکافته و آن را جمع می‌کنند که این باعث کوتاه شدن مسافت بین دو نقطه در فضا می‌گردد.

به دیگر سخن، کرم‌چاله‌ها گریزگاه‌هایی هستند که دو نقطه را در فضا ـ زمان به هم متصل می‌کنند و به عنوان روشی نظری برای تا کردن فضا و زمان مطرح هستند تا بتوان دو مکان مختلف در فضا را به هم وصل کرد و سپس در لحظه به‌طور آنی از یک محل به محل دیگر سفر کرد.

در صورتی که کرم‌چاله‌ها واقعی باشند، می‌توان از یک طرفِ چاه گرانشی آنها پایین رفت و بلافاصله میلیون‌ها یا میلیاردها سال نوری از طرف دیگر آنها بیرون آمد. تونل بین دو سوی یک کرم‌چاله که سرعت ماده در آن از سرعت نور بیشتر است ممکن است یک سرازیری راست باشد یا یک مجرای پیچ و خم‌دار. اگر کرم چاله مسیری قابل گذر باشد، در فضا ـ زمان مانند میان‌بر عمل می‌کند.

کلیات

یکی از جنبه‌های کرم‌چاله‌ها، به‌کاربردن آن‌ها برای انجام سفر در فضازمان است. می‌دانیم که فاصله زمین تا نزدیک‌ترین ستاره به جز خورشید، نزدیک به ۴٫۲۸ سال نوری می‌باشد. پس نور با سرعت تقریباً ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه بیش از ۴ سال طول می‌کشد تا به این ستاره برسد. اکنون ما با فناوری امروزه بیش از یک میلیون و سیصد هزار سال زمان نیاز داریم تا به این ستاره برویم که برای آدمی نشدنی است. این‌گونه برمی‌آید که با انگارهٔ بودن کرم‌چاله، می‌توان از یک سو به درون آن رفت و تقریباً بلافاصله پس از خروج از سوی دیگر، در جایی دوردست از جهان سر درآورد. در این چهارچوب می‌توان از جهانی دیگر نیز سر درآورد. طبق نظریهٔ برخی دانشمندان کرم چاله‌ها از دو سیاه چاله ساخته شده‌اند که بعد زمان در ان معنایی ندارد و شما بدون اتلاف وقت می‌توانید چندین سال نوری را در کم‌تر از یک ثانیه طی کنید و علت این هم جاذبهٔ موجود در کرم چاله‌ها بوده که باعث می‌شود بعد زمان از بین برود، به عبارت دیگر شما در کرم‌چاله هیچ وقت پیر نمی‌شوید.

پس این نادرست است که مردم سیاهچاله‌ها را به عنوان ابزارهایی برای مسافرت‌های فضایی می‌شناسند. اما باید بدانیم که سیاهچاله‌ها دارای افق هستند و هنگامی‌که چیزی، گرچه نور، وارد آنها شد، افزون بر نابودی، امکان خروج برایش وجود ندارد. البته باید بدانیم که کرم‌چاله‌ها فقط مدل‌هایی ریاضی هستند و آشکارسازی و رصد آنها تاکنون بی‌سرانجام بوده‌است. همچنین گذر از کرم‌چاله‌ها برای سفر در زمان عملاً کاری نشدنی است زیرا با فروریزی شدیدی که آنها دارند هیچ جاندار شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند آن را تاب بیاورد و باید بدانیم که باز و بسته شدن آن‌ها آن اندازه سریع رخ می‌دهد که هر ماهیتی در هنگام گذر از آن‌ها به دام خواهد افتاد. البته تا رسیدن به یک نگرهٔ درست از گرانش کوانتمی نمی‌توان داوری همه سویه‌ای انجام داد.

دو سر کرم‌چاله‌ها را می‌توان به دو دهانه و تونل بین آن دو را به یک دالان تشبیه کرد که نقش رابط را ایفا می‌کند. دهانه‌ها کروی شکل هستند و دالان یک مسیر مستقیم است، اما می‌تواند پیچ‌هایی داشته باشد که در این صورت مسیر گذر طولانی‌تر می‌شود. کرم‌چاله‌ها می‌توانند دو نقطه در یک جهان را به هم پیوند دهند یا این که دو جهان متفاوت را به هم متصل کنند. اگرچه ایجاد کرم‌چاله از لحاظ نظری امکان‌پذیر است اما بر اساس دانش کنونی ما این کار از لحاظ عملی غیرممکن است. وجود کرم چاله‌ها با استفاده از نظریه نسبیت عام انیشتین به صورت ریاضیاتی پیش‌بینی شده، اما تاکنون هیچ کرم‌چاله‌ای کشف نشده‌است. شاید بتوان یک کرم‌چاله با جرم منفی را از روی تأثیر گرانش آن بر نوری که عبور می‌کند شناسایی کرد. برخی راه حل‌های نسبیت عام با فرض این که هر دهانه کرم‌چاله خود یک سیاه‌چاله است، احتمال وجود آنها را بیشتر می‌کنند. با این حال، سیاه‌چاله‌ای که به‌طور طبیعی با زوال یک ستاره رو به افول شکل می‌گیرد نمی‌تواند خودش کرم چاله به وجود آورد.

تاریخچه

نسبیت عام
$G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu }$
آشنایی عصر طلایی ریاضیات نسبیت عام آزمون‌ها
مفاهیم بنیادی اصل هم‌ارزی نسبیت خاص خط جهانی هندسه ریمانی
پدیده‌ها مسئله دو جسم همگرایی گرانشی موج گرانشیها کشش چارچوب اثر ژئودزیکی افق رویداد تکینگی گرانشی سیاه‌چاله فضازمان نمودار مینکوفسکی فضای مینکوفسکی کرم‌چاله
معادلات فرمول‌بندی‌ها معادلات گرانش خطی‌شده معادلات میدان اینشتین معادلات فریدمان ژئودزیک‌ها Mathisson–Papapetrou–Dixon معادله هامیلتون-ژاکوبی-اینشتین فرمول‌بندی‌ها صورت‌گرایی ای‌دی‌ام صورت‌گرایی بی‌اس‌اس‌ان صورت گرایی پسا-نیوتنی پارامتری نظریات پیشرفته نظریه کالوزا-کلین گرانش کوانتومی
پاسخ‌ها متریک شوارتس‌شیلد متریک رایسنر-نوردشتروم متریک گودل متریک کر نیومن متریک (کر) متریک کازنر Lemaître–Tolman فضای تاب–نات مدل میلن متریک فریدمان-لومتر-رابرتسون-واکر فضازمان موج پی پی غبار ون استاکم
دانشمندان آلبرت اینشتین هندریک لورنتز داوید هیلبرت آنری پوانکاره کارل شوارتزشیلد ویلم دو سیتر هانس رایسنر گونار نوردشتروم هرمان ویل آرتور استنلی ادینگتون الکساندر فریدمان ادوارد آرتور میلن فریتس تسوئیکی ژرژ لومتر کورت گودل جان ویلر هاوارد پرسی رابرتسون جیمز ماکسول باردین آرتور جئوفری واکر روی کر سابراهمانین چاندراسکار یورگن الرس راجر پنروز استیون هاوکینگ امل کومار ریچادوری جوزف تیلور راسل هالس ویلم ژاکوب ون استاکم آبراهام هاسکل تاب ازرا نیومن شینگ تونگ یائو کیپ تورن مشارکت‌کنندگان

از دههٔ ۱۹۳۰ به بعد فیزیکدان‌های نظری، فرضیهٔ وجود راه‌های میانبر از میان فضا را پیش کشیده‌اند. این میانبرها که در ابتدا «سفیدچاله» و بعد «پل انیشتین ـ روزِن» نامیده شدند، ناحیه‌ای فرضی در فضا ـ زمان هستند که از بیرون امکان وارد شدن به آن‌ها وجود ندارد، اما بر خلاف سیاهچاله‌ها مجال می‌دهند که ماده و نور از آن‌ها بگریزند و بیرون بیایند. سفیدچاله‌ها برعکس سیاه‌چاله‌ها عمل می‌کنند، بدین معنی که انرژی را به بیرون انتشار می‌دهند ولی به هیچ چیز اجازهٔ ورود به درون خود را نمی‌دهند. بنابراین سفیدچاله‌ها همان کرم‌چاله‌ها هستند.

نظریهٔ کرم‌چاله نخستین بار در سال ۱۹۱۶ بنیان نهاده شد، اما نام دیگری برایش در نظر گرفته شده بود. «لودویگ فلَم»، فیزیکدان اتریشی هنگام مرور راه‌حل فیزیکدان دیگری برای معادلات نظریهٔ نسبیت عام آلبرت انیشتین به این نتیجه رسید که راه‌حل دیگری نیز امکان‌پذیر است. او از پدیده‌ای به نام سفیدچاله نام برد که از لحاظ نظری، بازگشت زمانی سیاهچاله بود. ورود به هر دوی آن‌ها با مجرای فضا ـ زمان میسر می‌شود.

ساختن واژهٔ «کرم‌چاله یا کرمچاله» و «سیاه‌چاله فضایی» به جان ویلر نسبت داده شده‌است. با این‌حال در دههٔ ۱۹۳۰ اینشتین و روزن با به‌کار بردن غوطه‌وری متریک شوارتزشیلد در فضای استوانه‌ای، معادلهٔ غوطه‌وری یک کرم‌چالهٔ گذرناپذیر و ناایستا که «پل اینشتین - روزن» نامیده می‌شود را به‌دست آوردند. یک سال پس از ارائهٔ نظریهٔ نسبیت عام به‌وسیلهٔ آلبرت اینشتین، سال ۱۹۱۶ فلام دریافت که از بررسی شوارتزشیلد معادلات میدان اینشتین می‌توان پاسخ کرم‌چاله‌ای به‌دست‌آورد. این‌گونه کرمچاله، «کرمچالهٔ شوارتزشیلد» نامیده شده‌است.

هندسهٔ یک کرم‌چاله

یک کرم‌چاله در صورت وجود، خود بخشی از فضازمان چهار بُعدی عالم است. همان‌گونه که می‌دانید انیشتین در سال ۱۹۰۵ ثابت کرد که جهان تنها از سه بُعد فضایی تشکیل نشده و زمان صرفاً یک پارامتر در حال تغییر نیست. بلکه زمان خود نیز به عنوان بعد چهارم عالم به‌حساب می‌آید. در این فضازمان چهار بعدی، کرم‌چاله‌ها می‌توانند سوراخی به جهانی دیگر یا ناحیه‌ای دیگر از همین جهان باشند. پس باید در نظر داشته باشیم که این اجسام چهاربعدی هستند و ما تنها برای ساده‌سازی آن‌ها را به صورت دوبعدی نشان می‌دهیم.

به‌عنوان مثالی ساده، یک صفحه کاغذ تخت را در نظر بگیرید که از چهار سو تا فواصل بسیار دور گسترده شده باشد. هر دو طرف صفحه که آن‌ها را «رو» و «زیر» صفحه می‌نامیم، به‌طور مستقل یک فضای دوبعدی را تشکیل می‌دهند که می‌توانیم آن را یک جهان دوبعدی بینگاریم. ساکنان این جهان‌ها خود موجودات دوبعدی هستند. آشکار است که این دو جهان هیچ پیوندی با هم ندارند و ساکنان آن‌ها از وجود همدیگر بی خبرند. اکنون بینگارید یک سوراخ دایره‌ای در این صفحه ایجاد شود. به این ترتیب دو جهان به‌طور پیوسته با هم ارتباط دارند. ما این حفرهٔ تونل مانند را یک کرم‌چاله می‌نامیم.

اکنون بیایید به‌جای یک سوراخ، دو سوراخ در صفحه ایجاد کنیم. سپس لبه‌های این دو سوراخ را بکشیم تا به صورت دو لوله درآید و با ادامه دادن این کار دو لوله را به‌هم وصل کنیم. این نیز یک کرم‌چاله است. با این تفاوت که نایکسانی در آن بر خلاف حالت پیشین دو گستره از یک جهان را به هم وصل می‌کند. در حالتی که فضای ما خمیده باشد مسافرت از طریق این کرم‌چاله بسیار سریع‌تر شدنی است. چون مسافت کوتاه‌تر است.

اگر در هر یک از دو ورق تخت همراستا نیز یک سوراخ ایجاد کنیم، با کشیدن لبه‌های سوراخ و رساندن دو لولهٔ ایجادشده به هم می‌توانیم یک کرم‌چاله ایجاد کنیم که صفحه بالایی یکی از ورق‌ها را به صفحه پایینی ورق دیگر وصل کند.

فیزیکدان‌ها کرم‌چاله‌ها را سیاه‌چاله‌هایی تصور می‌کنند که از میانشان می‌توان نقطه‌ای دوردست از جهان هستی را به صورت چهار بعدی نظاره کرد. اختر فیزیکدان‌ها هنوز نمی‌توانند شکل و اندازهٔ دقیقی برای سیاهچاله‌ها در نظر بگیرند، چه برسد به کرم‌چاله‌ها که در حد نظریه باقی مانده‌اند.

متریک‌ها

نگره‌های متریک‌های کرم‌چاله، اندازش اسپاشزمان یک کرم‌چاله را بازگو می‌کنند و به‌برنام مدل‌هایی برای نورد زمانی به‌کار گرفته می‌شوند. نمونه‌ای از یک متریک کرم‌چاله (گذرپذیر) در پی می‌آید:

$ds^{2}=-c^{2}dt^{2}+dl^{2}+(k^{2}+l^{2})(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}).$

یک گونه از متریک کرمچاله گذرناپذیر پاسخ شوارتزشیلد است:

$ds^{2}=-c^{2}\left(1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)dt^{2}+{\frac {dr^{2}}{1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}}}+r^{2}(d\theta ^{2}+\sin ^{2}\theta \,d\phi ^{2}).$

منابع

• روزنامه اطلاعات: آیا کرم‌چاله‌ها وجود دارند؟ یکشنبه ۱۳ بهمن ۱۳۹۸.
• ویکی‌پدیای انگلیسی:

• DeBenedictis, Andrew and Das, A., On a General Class of Wormhole Geometries (arXiv eprint server ed.)نگهداری یادکرد:نام‌های متعدد:فهرست نویسندگان (link) Retrieved on August 12, 2005.

پیوند به بیرون

• ساختار کرمچاله‌ها (به فارسی)
• آفرینش یک کرمچالهٔ گذرپذیر از محمد منصوریار (به انگلیسی)
• یک «کرمچاله» دقیقاً چیست؟ پاسخ‌داده شده به‌وسیله ریچارد اف. هلمن، ویلیام ای. هیسکاک، و مت ویسر. (به انگلیسی)
• چرا کرمچاله‌ها؟ به‌وسیله مت ویسر. (به انگلیسی)
• کرمچاله‌ها در نسبیت عام به‌وسیله سوشیچی اوچی. (به انگلیسی)
• کرمچاله‌های بهترشدهٔ نو به‌وسیله جان جی. کرامر. (به انگلیسی)
• سفیدچاله‌ها و کرمچاله‌ها یک تشریح بسیار خوب از کرمچاله‌های شوارتسشیلد را به‌همراه گرافیک و پویانمایی فراهم می‌آورد، به‌وسیله اندرو جی.اس. هامیلتون. (به انگلیسی)
• پرسش‌ها و پاسخ‌هایی درباره کرمچاله‌ها (به انگلیسی)