سفرهای مکان-زمان از طریق کرم‌چاله‌ها می‌تواند امکان‌پذیر باشد

براساس یافته‌های جدید، کرم‌چاله‌ها از آنچه قبلا تصور می‌شد پایدارتر هستند و از آن‌ها می‌توان به عنوان مسیری برای حمل‌ونقل سفینه‌های فضایی در سراسر کیهان استفاده کرد.

کرم‌چاله‌ها که پل انیشتین-روزن نیز نامیده می‌شوند، همانند میانبری بین دو نقطه بسیار دور در فضای مکان-زمان عمل‌ می‌کنند. پیش از این تصور می‌شد این درگاه‌های فضایی، پس از شکل گرفتن به سرعت دچار فروپاشی می‌شوند. اما نظریه‌ی جدید، تصویر ذهنی ما از نحوه‌ی عملکرد این پدیده را به کلی تغییر می‌دهد.

بازی متریک‌ها

ابتدا برخی مبانی نظریه‌ی «نسبیت عام» را بررسی می‌کنیم. نسبیت مانند یک ماشین عمل می‌کند. اشیاء خاصی مانند یک جرم یا آرایشی از ذرات را به عنوان ورودی می‌گیرد و چگونگی رفتار آن شی‌ء را نسبت به جاذبه طی زمان به عنوان خروجی تحویل می‌دهد. در نسبیت عام همه چیز بر پایه‌ی حرکت در مکان و زمان است؛ اشیاء از مختصات فیزیکی خاصی شروع می‌شوند، جا‌به‌جا می‌شوند و در نهایت به مختصات فیزیکی دیگری ختم می‌شوند.

اگرچه قوانین نسبیت عام ثابت هستند، اما این نظریه‌ از دید ریاضی، آزادی عمل زیادی در تعریف این مختصات ارائه می‌دهد. فیزیکدانان این هر کدام از این تعاریف مختلف را متریک می‌نامند. برای فهم بهتر این مثال را در نظر بگیرید. فرض کنید شما می‌خواهید آدرس خانه‌تان را به یکی از دوستان بدهید. راه‌های مختلفی برای توصیف نحوه‌ی رسیدن به آن مکان خاص در اختیار دارید: جهت خیابان‌ها، طول و عرض جغرافیایی یا به تصویر کشیدن مسیر روی دستمال کاغذی! حالا هرکدام از روش‌های آدرس دادن را یک متریک در نظر بگیرید. مشاهده می‌کنید که با وجود تفاوت در متریک‌ها، مقصد تغییری نمی‌کند.

فیزیکدانان نیز می‌توانند از متریک‌های متفاوتی در توصیف یک شرایط خاص استفاده کنند؛ اما گاهی ممکن است یک متریک نسبت به متریک دیگری مفیدتر واقع شود.

سیاه‌چاله‌ای گسترده شده

وقتی صحبت از سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌ها می‌شود، چند متریک بالقوه وجود دارد. محبوب‌ترین آن‌ها متریک شوارتس‌شیلد (Schwarzschild) است که اولین بار سیاه‌چاله‌ها توسط این متریک کشف شد. اما متریک شوارتس‌شیلد مشکلاتی دارد. این متریک در فاصله‌ی خاصی از سیاه‌چاله که امروزه به عنوان شعاع شوارتس‌شیلد یا افق رویداد درست رفتار نمی‌کند.

منظور از رفتار نادرست این است که این متریک کاملا شکست می‌خورد و دیگر نمی‌تواند بین دو نقطه مختلف در مکان و زمان تمایز قایل شود. اما متریک ادینگتون-فینکلشتاین وجود دارد که می‌تواند آنچه بر ذره‌هایی که به افق رویداد رسیده‌اند را، توصیف کند: آن‌ها دقیقا از همانجا عبور می‌کنند و به سمت سیاه‌چاله سقوط می‌کنند و پس از آن هرگز دیده نمی‌شوند. اما همه‌ی این‌ها چه ربطی به کرم‌چاله‌ها دارند؟ ساده‌ترین راه برای ساخت کرم‌چاله این است که سیاه‌چاله را با تصویر آینه‌ای آن (سفیدچاله) گسترش دهید. این ایده اولین بار توسط آلبرت انیشتین و ناتان روزن مطرح شد و به همین دلیل گاهی می‌بینیم به کرم‌چاله‌ها پل انیشتین-روزن نیز گفته می‌شود. هم‌زمان که سیاه‌چاله اجازه خروج به اشیاء نمی‌دهد، سفیدچاله اجازه ورود به اشیاء نمی‌دهد. برای ساخت کرم‌چاله کافی است یک سیاه‌چاله و یک سفیدچاله را از نقاط تکینگی‌شان (نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت در مرکز سیاه‌چاله یا سفیدچاله)‌ به یکدیگر متصل کنید. این اتصال منجر به ساخت تونلی در فضای مکان-زمان خواهد شد؛ تونلی بسیار بدرفتار!

یک مسیر باریک

زمانی که کرم‌چاله‌ی نظری وجود داشته باشد، منطقی است که این سؤال در ذهنمان ایجاد شود که اگر کسی تلاش کند در آن قدم بگذارد، چه بر سرش خواهد آمد؟ اینجا است که ماشین نسبیت عام وارد می‌شود: در این شرایط بسیار جالب، ذرات چگونه رفتار می‌کنند؟ جواب استاندارد این است که کرم‌چاله‌ها بسیار زشت و زننده رفتار می‌کنند. سفیدچاله‌ها ذاتاً ناپایدار هستند (احتمالا اصلا وجود ندارند!) و نیروهای بسیار شدید داخل کرم‌چاله، باعث می‌شود که کرم‌چاله به محض شکل‌گیری، مانند یک نوار پلاستیکی آنقدر کشیده شود که در چشم‌به‌هم‌زدنی بشکند و از بین برود. متأسفانه باید بگوییم اگر قصد دارید چیزی وارد کرم‌چاله کنید، تلاشتان بیهوده خواهد بود.

انیشتین و روزن، همچون بسیاری از تحلیل‌های مربوط به این تونل فضایی، کرم‌چاله‌شان را با متریک معمول شوارتس‌شیلد ساخته بودند. اما فیزیکدانی به نام پاسکال کایران از مدرسه عالی لیون در فرانسه از متریک ادینگتون-فینکلشتاین برای این منظور استفاده کرد. داده‌های تحقیق او در این راستا قرار است در شماره بعدی مجله Modern Physics D منتشر شود.

کایران با استفاده از این متریک متوجه شد که آسان‌تر می‌تواند مسیر یک ذره را در میان یک کرم‌چاله‌ی فرضی دنبال کند. او فهمید که ‌ذره در مدت محدودی می‌تواند از افق رویداد عبور کند، وارد تونل کرم‌چاله شود و از طرف دیگر آن نیز خارج شود. در این مطالعه متریک ادینگتون-فینکلشتاین در هیچ نقطه‌ای از مسیر ذره رفتار نادرستی نشان نداد.

آیا این یافته‌ها به این معنی است که پل‌های انیشتین-روزن پایدارند؟ باید بگوییم نه به‌طور کامل. نسبیت عام فقط رفتار جاذبه را به ما نشان می‌دهد و در مورد بقیه نیروهای طبیعی اطلاعاتی نمی‌دهد. برای مثال ترمودینامیک، علمی که گرما و انرژی را مطالعه می‌کند، بیان می‌کند که سفید‌چاله‌ها اساساً ناپایدارند و اگر فیزیکدانان تلاش کنند با مواد واقعی در جهان واقعی کرم‌چاله بسازند، چگالی انرژی زیاد آن همه‌چیز را می‌شکند.

با این وجود، نتایج تحقیقات پاسکال کایران به این دلیل که نشان می‌دهد کرم‌چاله‌ها به آن اندازه که ابتدا تصور می‌شد فاجعه‌آمیز نیستند و ممکن است مسیرهای پایداری (سازگار با نسبیت عام) داخل تونل کرم‌چاله وجود داشته باشد، قابل توجه است.