تصور کنید که روی زمین وارد تونلی میشوید و بلافاصله در سیارهای در یک کهکشان دوردست، با فاصلهی چندین و چند سال نوری دورتر ظاهر میشوید؛ چنین موضوعی شاید شبیه به داستانهای علمی-تخیلی به نظر برسد، اما در دنیای فیزیک نظری و ریاضیات آن، این ایدهی شگفتانگیز ممکن است با در نظر داشتن مفهوم «کرمچاله» (Wormhole) چندان هم بعید نباشد.
کرمچاله از جذابترین مفاهیم در فیزیک و کیهانشناسی مدرن به شمار میرود. این ساختارهای فرضی به عنوان میانبرهایی در فضا-زمان عمل میکنند و دو ناحیهی دور از جهان یا حتی دو جهان متفاوت را به هم پیوند میدهند. کرمچالهها که محبوبیت آنها را باید به داستانهای علمی-تخیلی نسبت داد و توسط مدلهای ریاضی پیشرفته در نسبیت عام هم پشتیبانی میشوند، درک ما را از فضا-زمان، مفهوم علیت و آنچه که ممکن است در دوردستهای علم کیهانی امکانپذیر باشد، به چالش میکشند.

بخشهای مختلف یک کرمچاله
Credit: The Hindu
کرمچاله چیست؟
کرمچاله را باید یک گذرگاه نظری در فضا-زمان دانست که میتواند میانبرهایی را برای سفرهای طولانی در سراسر کیهان ایجاد کند. کرمچاله که به عنوان پل اینشتین-روزن هم شناخته میشود، در حقیقت راه حلی برای معادلات نظریهی نسبیت عام اینشتین به شمار میرود. این پدیده هنوز تنها به صورت ریاضی وجود دارد اما اگر کرمچالهها واقعی باشند، میتوانند دو نقطهی دور در فضا-زمان جهان ما یا حتی در جهانهای مختلف را به هم متصل کنند و سفر سریع میان آنها را ممکن سازند.
همانطور که نام دیگر کرمچاله نشان میدهد، ایدهی آن از کار «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) همراه با فیزیکدان «ناتان روزن» (Nathan Rosen) در سال 1935 میلادی سرچشمه میگیرد. این دانشمندان پیشنهاد کردند که یک «پل» (Bridge) میتواند بین دو نقطهی جداگانه در فضا-زمان وجود داشته باشد که هرچند بسیار ناپایدار است و احتمالا فورا فرو میریزد، اما اگر توسط نوعی «مادهی عجیب» (Exotic Matter)، یک مادهی نظری با چگالی انرژی منفی، پشتیبانی شود، امکانپذیر خواهد بود.

طرحی گرافیکی از ورودی یک کرمچاله
Credit: Fine Art America
برای درک بهتر مفهوم کرمچاله، دو شهر را در دو سوی مخالف یک کوه تصور کنید. مردم این شهرها برای رسیدن به یکدیگر احتمالا باید تمام مسیر کوه را دور بزنند. اما اگر بخواهند سریعتر به آنجا برسند، میتوانند یک تونل مستقیم از میان کوه حفر کنند و یک راه میانبر بسازند. این ایدهی پشت یک کرمچاله است. کرمچاله مانند تونلی میان دو نقطهی دور در جهان ماست که زمان سفر از یک نقطه به نقطهی دیگر را کاهش میدهد.
بدین ترتیب به جای سفر میلیونها ساله از یک کهکشان به کهکشان دیگر، در شرایط مناسب، از نظر تئوری میتوان با استفاده از یک کرمچاله زمان سفر را به چند ساعت یا چند دقیقه کاهش داد. با توجه به اینکه کرمچالهها نشاندهندهی میانبرهایی در ساختار فضا-زمان هستند، حتی میتوانند مانند ماشینهای زمان عمل کنند. بدین ترتیب حتی ممکن است از یک انتهای کرمچاله در زمانی زودتر از زمانی که وارد آن شدهاید، خارج شوید!
شاید چنین چیزی بسیار عجیب و گیجکننده به نظر برسد اما در حالی که دانشمندان هیچ مدرکی مبنی بر وجود کرمچالهها در جهان ما ندارند، چنین پدیدههای نظری، ابزارهای خوبی برای کمک به اخترفیزیکدانان برای تفکر در مورد فضا-زمان هستند و حتی ممکن است به پرسشهای قدیمی دربارهی شکل جهان پاسخ دهند.
آغاز مفهوم کرمچاله
کرمچالهها برای نخستین بار در سال 1916 به صورت تئوری مطرح شدند، هرچند در آن زمان این نام را نداشتند. «لودویگ فلام» (Ludwig Flamm) فیزیکدان اتریشی، هنگام بررسی راه حل فیزیکدان دیگری برای معادلات نظریهی نسبیت عام اینشتین، متوجه شد که رها حل دیگری هم ممکن است. او یک «سفیدچاله» به عنوان معکوس زمانی و نظری یک سیاهچاله را توصیف کرد. ورودیهای هر دو سیاهچاله و سفیدچاله میتوانند توسط یک مجرای فضا-زمان به هم متصل شوند.
در سال 1935، اینشتین و روزن از نظریهی نسبیت عام برای توضیح بیشتر این ایده استفاده کردند و وجود پلهایی را در میان فضا-زمان پیشنهاد دادند. این پلها دو نقطه مختلف را در فضا-زمان به هم متصل میکنند و از نظر تئوری میانبری ایجاد میکنند که میتواند زمان و مسافت سفر را کاهش دهد و بدین ترتیب پلهای اینشتین-روزن یا کرمچاله نامیده شدند.
ساختار کرمچاله

بخشهای مختلف یک کرمچاله
Credit: Internet Encyclopedia of Science
با وجود فرضی بودن کرمچالهها، ساختارشان در مدلهای نظری به خوبی تعریف شده و اجزای اصلی آنها به صورت زیر است.
دهانهها
هر کرمچاله دو دهانه دارد که به عنوان نقاط ورود و خروج عمل میکنند. این دهانههای ورودی و خروجی معمولا به عنوان دهانههای کروی در فضا-زمان تصور میشوند که میتوانند مناطق دوردست در یک جهان را به هم متصل کنند یا جهانهای کاملا متفاوتی را به هم پیوند دهند. دهانهها به احتمال زیاد کروی خواهند بود.
گلوگاه
گلوگاه تونل یا مجرایی است که دو دهانه را در یک کرمچاله به هم متصل میکند. این ناحیه نشاندهندهی حداکثر انحنای فضا-زمان است و باریکترین بخش کرمچاله به شمار میرود. هندسهی گلوگاه، پایداری و قابلیت عبور کرمچاله را تعیین میکند و جایی است که به مادهی عجیب برای پایداری نیاز دارد. گلوگاه ممکن است یک امتداد مستقیم باشد، اما میتواند پیچ و تاب هم داشته باشد و مسیری طولانیتر از آنچه یک مسیر مرسومتر ممکن است نیاز داشته باشد، طی کند.
مادهی عجیب
برای پایدار و باز نگه داشتن یک کرمچاله، مدلهای نظری به مادهی عجیب با چگالی انرژی منفی نیاز دارند. این مادهی عجیب و هنوز تئوری، با نیروهای گرانشی که باعث فروپاشی کرمچاله میشوند، مقابله میکند تا آن را پایدار نگه دارد. وجود چنین مادهای در حد گمانهزنی است و هنوز اثبات نشده است.
مناطق گذار
اطراف دهانهها و گلوگاهها، مناطق گذار وجود دارند که در آنها هندسهی فضا-زمان از حالت مسطح به عنوان فضای معمولی به حالت بسیار خمیده در درون کرمچاله تغییر میکند. این مناطق در تعیین نیروهای جزر و مدی وارد شده به اجسامی که وارد یا از کرمچاله خارج میشوند، بسیار اهمیت دارند.
یک کرمچاله با جرم منفی را میتوان با نحوه تأثیر گرانش آن بر نوری که از آن عبور میکند، تشخیص داد. برخی از راه حلهای نسبیت عام، وجود کرمچالههایی را که دهانهی هر یک یک سیاهچاله است، مجاز میدانند. با این حال، یک سیاهچالهی طبیعی که در اثر فروپاشی یک ستارهی در حال مرگ تشکیل میشود، به خودی خود کرمچالهای ایجاد نمیکند.
علم یا واقعیت؟
به دلیل ویژگیهای جالب آن، بسیاری از نویسندگان علمی-تخیلی از کرمچالهها در رمانها و فیلمها استفاده میکنند. با این حال، دانشمندان هم به اندازهی نویسندگان مجذوب ایدهی کرمچالهها شدهاند.
با وجود آنکه پژوهشگران هرگز کرمچالهای را در جهان ما پیدا نکردهاند، اغلب کرمچالهها در راه حلهای معادلات مهم فیزیک توصیف میشوند. برجستهترین آنها، راه حلهای معادلات نظریهی فضا-زمان و نسبیت عام اینشتین است که شامل کرمچالهها میشود. این نظریه شکل جهان و شیوهی حرکت ستارگان، سیارات و دیگر اجرام در سراسر کیهان را توصیف میکند. با توجه به اینکه نظریهی اینشتین بارها و بارها آزمایش شده و هر بار درست بوده است، برخی از دانشمندان انتظار دارند که کرمچالهها هم در جایی از جهان وجود داشته باشند.
اما شماری از دیگر دانشمندان فکر میکنند که کرمچالهها به این دلیل نمیتوانند وجود داشته باشند که بسیار ناپایدار خواهند بود. کشش مداوم گرانش بر هر جسمی در جهان، از جمله زمین، اثر میگذارد. بنابراین گرانش بر کرمچالهها هم تأثیر میگذارد. دانشمندانی که دربارهی کرمچالهها تردید دارند، معتقدند که پس از مدت کوتاهی، مرکز کرمچاله تحت تأثیر گرانش خود فرو میریزد، مگر اینکه نیرویی از درون کرمچاله به سمت بیرون فشار بیاورد تا آن را خنثی کند. محتملترین راه برای انجام این کار، استفاده از چیزی است که «انرژی منفی» نامیده میشود، که با گرانش مقابله و کرمچاله را تثبیت میکند.

برخی دانشمندان پیشنهاد میکنند که سیاهچالهها امکان بلعیدن انرژی منفی را دارند.
Credit: Kyle Parfrey
با این وجود، به گفتهی دانشمندان انرژی منفی فقط در مقادیر بسیار کمی میتواند ایجاد شود و بدین ترتیب نمیتواند گرانش خود کرمچاله را خنثی کنند. از سویی این احتمال اما وجود دارد که مهبانگ (بیگ بنگ) در ابتدای جهان، کرمچالههای ریز و کوچکی را با مقادیر کمی انرژی منفی ایجاد کرده باشد و با گذشت زمان و انبساط جهان، این کرمچالهها کشیده شده باشند.
تا به امروز، کرمچالهها صرفا به صورت نظری باقی ماندهاند و هیچ مدرک تجربی برای اثبات وجود آنها یافت نشده است. با این حال، پژوهشها دربارهی ماهیت گرانش، مکانیک کوانتومی و فضا-زمان ادامه دارد. اکتشافاتی مانند امواج گرانشی و تصویربرداری از سیاهچالهها، توانایی رو به رشد ما را در کاوش پدیدههای کیهانی دشوار نشان میدهد. از جمله در سال 2020، فیزیکدانان مدلهای جدیدی را پیشنهاد کردند که ممکن است کرمچالههای قابل عبور را بدون نقض قوانین شناخته شدهی فیزیک ممکن سازند، اما چنین مدلهایی هنوز تا به امروز آزمایش نشدهاند.
بنابراین به طور کلی میتوان گفت که وجود کرمچاله هنوز به صورت قطعی و واقعی اثبات نشده است، اما موضوعی موهومی و غیرواقعی هم نیست و مدلهای نظری و ریاضیاتی فیزیک به وجود چنین ساختارهایی دلالت دارند.
فیزیک پشت کرمچاله
کرمچالهها از ریاضیات پیچیدهی معادلات میدان اینشتین ناشی میشوند که بیان میکنند جرم و انرژی چگونه تار و پود فضا-زمان را پیچوتاب میدهند و دستخوش اعوجاج میکنند. در این هندسهی اعوجاج یافته، از نظر تئوری فضا-زمان میتواند به گونهای تا شود که یک تونل بین دو بخش روی هم افتاده شکل بگیرد و دو مکان و زمان به هم متصل شوند.
دو نوع اصلی کرمچاله وجود دارند. کرمچالههای قابل گذر که انسانها یا فضاپیماها میتوانند از میان این کرمچالههای فرضی عبور کنند و برای باز و پایدار نگه داشتن آنها به مادهی عجیب نیاز است. کرمچالههای غیرقابل گذر که ناپایدار یا میکروسکوپی هستند و پیش از آنکه چیزی بتواند از آنها عبور کند، فرو میریزند.
برای نمونه مدل معروف «موریس-تورن» (Morris-Thorne) که در سال 1988 ارائه شد، طرحی احتمالی را برای یک کرمچالهی قابل عبور ترسیم میکند، اما چنین طرحی فقط تحت شرایط بسیار حدسی و غیرواقعی وجود دارد.

طرحی گرافیکی از مدل کرمچاله موریس-تورن
Credit: CorvinZahn
کرمچالهها و امکان سفر در زمان
برخی از فیزیکدانان پیشنهاد میکنند که اگر یک دهانهی کرمچاله با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند و سپس به موقعیت اصلی خود بازگردد، زمان در هر دهانه به دلیل اتساع زمان (مفهومی از نسبیت خاص) متفاوت میگذرد. در تئوری، این موضوع میتواند به یک شیء یا شخص امکان دهد تا با ورود به یک انتهای کرمچاله و خروج از انتهای دیگر، به گذشته سفر کند.
با این حال، چنین مفاهیمی همچنان در حد حدس و گمان باقی میمانند و پرسشهای مهمی دربارهی علیت و پارادوکسها، مانند «پارادوکس پدربزرگ» معروف، در این زمینه مطرح میشود که بیان میکند اگر به گذشته سفر کنید و از وجود خود جلوگیری کنید چه اتفاقی میافتد؟
چالشها و محدودیتهای وجود کرمچاله
با وجود جذابیت مفهوم کرمچاله در داستانهای علمی-تخیلی، وجود چنین ساختارهایی با چندین چالش نظری عمده روبهرو است که از جمله مهمترین آنها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
پایداری
کرمچالهها به طور طبیعی تحت نیروهای گرانشی فرو میریزند، مگر اینکه توسط مادهی عجیب، که وجود آن ثابت نشده است، تثبیت شوند.
اندازه
اگر کرمچالهای بتواند به طور طبیعی وجود داشته باشد ممکن است میکروسکوپی باشد، یعنی بسیار کوچکتر از یک اتم که بدین ترتیب برای سفر میان دو نقطه غیرقابل استفاده خواهد بود.
تابش
تابش پرانرژی درون یک کرمچاله میتواند هر چیزی را که سعی در عبور از آن دارد، نابود کند و این موضوع با مفهوم سفر سریع در فضا-زمان در تناقض است.
علیت و پارادوکسها
اگر کرمچالهها امکان سفر در زمان را فراهم میکردند، مبانی فیزیک را به چالش میکشیدند و به طور بالقوه علیت را نقض میکردند.

یک مطالعهی علمی بیان میکند که اگر کرمچالهها وجود داشته باشند، ممکن است روزی دانشمندان سیاهچالههایی را که به درون آنها فرو میروند، مشاهده کنند.
Credit: Shutterstock
تفاوت کرمچاله و سیاهچاله
کرمچالهها و سیاهچالهها هر دو پیشبینیهای جذابی از نظریهی نسبیت عام اینشتین محسوب میشوند اما اساسا به پدیدههای متفاوتی در کیهان اشاره دارند. سیاهچاله ناحیهای در فضاست که گرانش آن به اندازهای شدید است که هیچ چیز، حتی نور نمیتواند از آن فرار کند. این جرم زمانی تشکیل میشود که یک ستارهی عظیم، تحت گرانش خود فرو میریزد و ماده را در یک نقطه بینهایت چگال به نام تکینگی فشرده میکند که افق رویداد آن را دربر گرفته است؛ مرزی که فرار از آن غیرممکن است. سیاهچالهها به خوبی توسط شواهد فیزیکی، از جمله تشخیص امواج گرانشی و تصویربرداری مستقیم از سیاهچاله، پشتیبانی میشوند.
در مقابل، کرمچاله یک ساختار فرضی تونل-مانند است که میتواند دو نقطهی جداگانه را در فضا-زمان به هم پیوند دهد و به طور بالقوه امکان ایجاد میانبرهایی بین مناطق دوردست کیهان یا حتی جهانهای مختلف را فراهم کند. تا کنون برخلاف سیاهچالهها، ماهیت کرمچالهها صرفا به صورت نظریه باقی مانده و هیچ مدرک تجربی وجود آنها را تأیید نکرده است. مفهوم کرمچاله از راه حلهای معادلات میدان اینشتین، مانند پل اینشتین-روزن، ناشی میشود، اما حفظ یک کرمچالهی پایدار و قابل گذر، به مادهی عجیب با چگالی انرژی منفی نیاز دارد که این هم هنوز در فیزیک مشاهده یا درک نشده است.
بدین ترتیب در حالی که سیاهچالهها وجود دارند و به طور گسترده مطالعه میشوند، کرمچالهها همچنان ساختارهایی حدسی هستند که درک ما از فیزیک را به چالش میکشند. سیاهچالهها به عنوان تلههای کیهانی عمل میکنند که هیچ چیز نمیتواند از آنها بازگردد، در حالی که کرمچالهها، در صورت وجود، میتوانند به عنوان میانبرهای کیهانی عمل کنند و به طور بالقوه امکان سفر سریعتر از نور را در فضا-زمان فراهم کنند. در عین حال مطالعهی هر دو پدیده همچنان مرزهای فیزیک نظری و آگاهی ما را از جهان گسترش میدهد.
نزدیکترین کرمچاله به زمین
همانطور که اشاره شد تا کنون هیچ کرمچالهای در هیچ جای کیهان کشف نشده است و بنابراین نمیتوان از مفهوم نزدیکترین کرمچاله به زمین سخن گفت. در حالی که نسبیت عام امکان ریاضی کرمچالهها را میپذیرد، آنها همچنان ساختارهای نجومی نظری و بدون شواهد تجربی باقی میمانند و تعریف مفهوم دوری و نزدیکی برای آنها هنوز جایگاهی ندارد.
در حالی که محققان در محیطهای آزمایشگاهی و با استفاده از رایانههای کوانتومی، نمونههایی از کرمچالهها را ایجاد کردهاند، مانند دستگاههایی که میتوانند میدانهای مغناطیسی را از طریق فضا به شیوهای مشابه کرمچاله منتقل کنند، اما اینها کرمچالههای واقعی در فضا-زمان نیستند. بدین ترتیب هرچند این آزمایشها برای کاوش در اصول فیزیک ارزشمند هستند، اما وجود یا امکان وجود کرمچالههای واقعی را نشان نمیدهند.
کرمچالهها در فرهنگ عامه
کرمچالهها برای دههها تخیل نویسندگان و فیلمسازان علمی-تخیلی را به خود جلب کردهاند. این پدیدهی نظری به طور برجسته در فیلمهایی مانند «میانستارهای» (Interstellar)، «استارگیت» (Stargate) و «دانی دارکو» (Donnie Darko) و در برنامههای تلویزیونی مانند «پیشتازان فضا» (Star Trek) و «دکتر هو» (Doctor Who) حضور دارند. در این داستانها، کرمچالهها اغلب به عنوان ابزارهای داستانی مناسب برای کاوش فضا یا سفر در زمان استفاده میشوند.

سفر در یک کرمچاله
Credit: Interstellar Movie
در فرهنگ عامه، کرمچالهها اغلب به عنوان پورتالهایی به تصویر کشیده میشوند که امکان سفر فوری در فواصل گسترده یا حتی زمان را فراهم میکنند. میتوان گفت مطالعهی کرمچالهها در لبهی علم قرار دارد و به همین دلیل الهامبخش تحقیقات علمی و داستانسراییهای خلاقانه است. به ویژه داشتن مبنای علمی و ریشه در فیزیک نظری، به آنها حس باورپذیری میدهد.
جمعبندی
کرمچالهها یکی از جذابترین و اسرارآمیزترین مفاهیم در فیزیک مدرن و در فرهنگ عامه به شمار میروند. این پدیدههای نظری، شکاف میان قوانین شناخته شدهی نسبیت عام و قابلیتهای نظریهی کوانتومی را پر میکنند. اگرچه کرمچاله هنوز در حد حدس و گمان است، اما مطالعهی آنها مرزهای دانش ما را گسترش میدهد و ما را به تصور امکانات جدید برای سفرهای فضایی و بافت خود واقعیت ترغیب میکند.
ممکن است اکتشافات آینده در فیزیک روزی ما را به پاسخ به این سوال نهایی نزدیکتر کند که آیا کرمچالهها واقعی هستند و آیا میتوانیم از آنها برای سفر در فضا-زمان استفاده کنیم؟
عکس کاور: طرحی گرافیکی از دهانهی یک کرمچاله
Credit: Mark Garlick/Science Photo Library via GettyImages
منابع: Space, Britanica, The Conversation
پرسشهای متداول دربارهی کرمچاله
آیا کرمچالهها واقعی هستند یا فقط در داستانهای علمی تخیلی وجود دارند؟
کرمچالهها در حال حاضر مفهومی نظری هستند و هیچ مدرک رصدی وجود آنها را تأیید نکرده است. این ساختارها راه حلهایی برای معادلات اینشتین در نسبیت عام به شمار میروند و این یعنی از نظر ریاضی امکانپذیرند اما اینکه آیا در طبیعت وجود دارند یا خیر هنوز ناشناخته است. بنابراین تا زمانی که اثبات فیزیکی پیدا نکنیم، کرمچالهها همچنان یک مفهوم نظری اما جذاب در فیزیک باقی میمانند.
آیا میتوان از طریق کرمچاله سفر کرد؟
از دیدگاه تئوری، بله. اما فقط تحت شرایط بسیار خاص و بعید. برای اینکه انسان یا فضاپیما بتوانند از میان کرمچاله عبور کنند، این ساختار باید پایدار و به اندازهی کافی بزرگ باشد و چنین چیزی به مادهی عجیب با انرژی منفی نیاز دارد تا از فروپاشی کرمچاله جلوگیری شود. و با توجه به اینکه وجود مادهی عجیب ثابت نشده است، سفر ایمن از طریق کرمچالهها همچنان موضوعی فرضی است.
آیا کرمچالهها میتوانند سفر در زمان را ممکن سازند؟
طبق برخی از مدلهای نظری اگر یک سر کرمچاله تا سرعت نزدیک به نور شتاب داده شود و سپس به حالت اولیهی خود بازگردد، میتواند بین دو سر آن اختلاف زمانی ایجاد کند که سفر در زمان را، دست کم از نظر تئوری ممکن سازد. با این حال، این موضوع پارادوکسهای پیچیدهای هم ایجاد میکند و هماکنون توسط شواهد تجربی یا فناوری عملی پشتیبانی نمیشود.
آیا دانشمندان نشانههایی از وجود کرمچالهها در فضا یافتهاند؟
هیچ نشانهی قطعی از وجود کرمچالهها در کیهان یافت نشده است. در حالی که اخترشناسان، بسیاری از اجرام دوردست مانند سیاهچالهها و ستارههای نوترونی را رصد میکنند، هیچکدام امضاهای گرانشی منحصربهفردی را که یک کرمچاله ممکن است تولید کند، نشان ندادهاند. با این حال پژوهشگران هنوز به دنبال شواهد غیرمستقیم، مانند اثرات غیرمعمول عدسی گرانشی هستند تا نشانهای احتمالی از کرمچالهها باشد.
source