کرم‌چاله

کرم‌چاله

کِرمچاله در فیزیک یک پل میانبر فرضی در فضا-زمان است.

کرمچاله‌ها ساختارهای فضازمانی پل مانندی هستند که دو گسترهٔ جدا از یک فضازمان یا دو فضازمان جدا از هم را به یکدیگر پیوند می‌دهند. کرمچاله‌ها مسافت و زمان بایسته برای رسیدن از یک نقطه به نقطهٔ دیگر را کوتاه و آسان می کنند.

تاریخچه

ساختن واژه «کرم‌چاله» و «سیاه‌چاله فضایی» به جان ویلر نسبت داده شده است. با اینحال در دهه ۱۳۱۰ اینشتین و روزن با به‌کاربردن غوطه‌وری متریک شوارتزشیلد در فضای استوانه‌ای، معادله غوطه‌وری یک کرمچاله گذرناپذیر و ناایستا که «پل اینشتین - روزن» نامیده می‌شود را به‌دست آوردند . یک سال پس از دادن نظریه نسبیت عام به‌وسیله آلبرت اینشتین، سال ۱۹۱۶ فلام دریافت که از بررسی شوارتزشیلد معادلات میدان اینشتین می‌توان پاسخ کرمچاله‌ای به‌دست آورد. این گونه کرمچاله ،«کرمچاله شوارتزشیلد» نامیده شده است.

یکی از جنبه‌های جالب 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 سردرآورد. در این چهارچوب می‌توان از جهانی دیگر نیز سردرآورد.

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 هیج جاندار شناخته‌شده‌ای نمی‌تواند آن را تاب بیاورد و باید بدانیم که باز و بسته شدن آن‌ها آن اندازه تند 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.

هندسه یک کرمچاله

یک کرمچاله در صورت وجود، خود بخشی از فضازمان چهار بعدی عالم می‌باشد. همان‌گونه که می‌دانید اینشتین در سال ۱۹۰۵ ثابت کرد که جهان تنها از سه بعد فضایی تشکیل نشده و زمان صرفآ 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 درنظر بگیرید که از چهار سو تا فواصل بسیار دور گسترده شده باشد. هر دو طرف صفحه که آن‌ها را «رو» و «زیر» صفحه می‌نامیم، بطور 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 بطور پیوسته با هم ارتباط دارند. ما این حفره 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 کرمچاله‌است. با این تفاوت که نایکسانی در ان 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 تندتر 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.

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 نا-گذرپذیر 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

• ویکی‌پدیای انگلیسی:

• DeBenedictis, Andrew and Das, A.. “On a General Class of Wormhole Geometries”. arXiv eprint server ed.  Retrieved on August 12, 2005.

پیوند به بیرون

• مستند کرمچاله ها (زیر نویس فارسی)
• 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)