پل انیشتین - روزن

نویسنده: Samuel Joseph George
برگردان فارسی توسط: ابوالفضل حقيری قزوينی

در سال ۱۹۱۶، آلبرت اینشتین برای نخستین بار نظریه نسبیت عام خود را مطرح ساخت که تا امروز مدل استاندارد گرانش باقی مانده است. بیست سال بعد، او و همکار قدیمی‌اش، Nathan Rosen مقاله‌ای را منتشر کردند که نشان می‌داد در صورتبندی نسبیت عام، ساختار فضای خمیده‌ای مستتر است که می‌تواند دو منقطه دور از هم را از طریق میانبر فضایی خمیده تونل مانندی به هم متصل نماید. هدف مقاله اینشتاین و روزن، تبلیغ سفر با سرعتی بیش از سرعت نور یا سفر میان جهانی نبود، بلکه آن‌ها تلاش می‌کردند تا ذزات بنیادی مانند الکترون را همچون تونل‌هایی فضایی که با خطوط نیروی الکتریکی مشخص می‌شوند، توضیح دهند. پل اینشتاین – روزن بر نسبیت عام و کارهای انجام شده توسط Karl Schwarzschild برای حل معادلات اینشتاین استوار است؛ یکی از جواب‌های این معادلات، پیشبینی سیاه‌چاله‌ها بود.

سیاه‌چاله منطقه‌ای از فضاست که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد. می‌توان گفت که سیاه‌چاله‌ها در واقع نقطه پایان تکامل ستاره‌های پرجرم هستند. اما این توضیح مختصر، به هیچ روی درک آن‌ها را آسان‌تر نمی‌سازد و از رازآمیز بودن آن‌ها نمی‌کاهد.

سیاه‌چاله‌ها، نقطه پایان تکامل ستارگانی هستند که دست کم ۱۰ تا ۱۵ برابر خورشید جرم دارند. اگر در ستاره‌ای به این جرم یا بیشتر، انفجار ابرنواختری روی دهد، ممکن است ستاره‌ی سوخته‌ای باقی گذارد که نسبتن پرجرم است. در این باقی مانده، از آن جا که هیچ نیروی رو به بیرونی نیست که با نیروهای گرانشی مخالفت نماید، در خود فرو می‌پاشد. سرانجام، ستاره به نقطه حجم صفر و چگالی بی نهایت فرو می‌پاشد و آن چه را که تکینگی نام دارد، ایجاد می‌کند. با افزایش چگالی، مسیر پرتوهای نوری که از ستاره گسیل می‌شوند خمیده می‌شود و سرانجام این پرتوها به طرزی غیرقابل بازیافت، به دور ستاره می‌پیچند. فوتون‌های گسیل شده توسط میدان گرانشی شدید در مداری به دام می‌افتند و هرگز این مدار را ترک نمی‌کنند. از آن جا که پس از رسیدن ستاره به چگالی بی‌نهایت، هیچ نوری از آن نمی‌گریزد، آن را سیاه چاله می‌خوانند.

اندیشه اصلی کرم چاله‌ها، به قدمت مفهوم نسبیت عام است. چند ماه پس از آن که انیشتین معادلات خود را نوشت، شوارتزشیلد نخستین جواب دقیق معادلات اینشتین را یافت. یکی از پیش‌بینی‌های شایان ذکر هندسه شوارتزشیلد آن بود که اگر جرم m در شعاع بحرانی r_s که امروزه به آن شعاع شوارتزشیلد می‌گویند، فشرده شود، گرانش آن چنان قوی می‌گردد که حتی نور نمي‌تواند از آن بگريزد. شعاع شوارتزشیلد جرم m با رابطه زیر داده می‌شود:

r_s = 2GM/c²

جالب آن که John Michell در ۱۷۸۴، شعاع صحیح شوارتزشیلد را بر اساس نظریه‌ای غلط پیدا کرده بود. این زمین شناس انگلیسی دریافته بود که از لحاظ نظری ممکن است گرانش چنان قوی شود که هیچ چیز، حتی نور نتواند از آن بگریزد. برای ایجاد چنین گرانشی، شیء باید بسیار پرجرم و به طرزی غیرقابل تصور، چگال باشد. در آن زمان، شرایط لازم برای وجود آن چه میچل "ستاره‌های سیاه" می‌نامید، از لحاظ فیزیکی غیر ممکن می‌نمود. نظرات وی توسط ریاضیدان و فیلسوف فرانسوی پیر سیمون لاپلاس در دو ویرایش متوالی راهنمای نجوم منتشر گردید، اما در ویرایش سوم حذف شد. در ویرایش ۱۷۹۵، لاپلاس معادله زیر را مطرح ساخت که نشان می‌داد جرم و شعاع برای تشکیل سیاه‌چاله باید چقدر باشد:

V_escape = (2GM/r)^1/2 = c

هندسه کامل شوارتزشیلد تشکیل شده است از سیاه چاله، سفیدچاله و دو جهان که در افق‌هایشان به وسیله کرم چاله‌ای به هم متصل شده‌اند. نام سیاه‌چاله، در سال ۱۹۶۸، توسط جان آرچیبالد ویلر ابداع شد. پیش از ویلر، این اجرام را اغلب "ستاره‌های سیاه" یا "ستاره‌های منجمد" می‌نامیدند.

این Ludwig Flam اتریشی بود که دریافت جواب شوارتزشیلد برای معادلات انیشتین (که آن را متریک شوارتزشیلد می‌خوانند) در واقع کرم چاله‌ای را توصیف می‌کند که دو منطقه از دو جهان یا دو قسمت از یک جهان را به هم متصل می سازند.

سفیدچاله، سیاه‌چاله‌ای است که در زمان به عقب می‌رود. درست همان گونه که سیاه چاله‌ها اشیاء را به طرزی غیر قابل بازیافت می‌بلعند، سفیدچاله‌ها نیز آن‌ها را به بیرون "تف می‌کنند". اما سفیدچاله‌ها نمی‌توانند وجود داشته باشند، زیرا قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کنند.

پیش‌بینی وجود سیاه‌چاله‌ها برای اینشتین مشکلی ایجاد نکرد، اما وی دریافت که سیاه چاله‌ها در مرکز خود دارای تکینگی هستند. در نقطه‌ی تکینگی، نقض تمام قوانین شناخته شده فیزیک آغاز می‌شود. این فکر برای انیشتین بسیار آزار دهنده بود. او این تکینگی‌ها را دوست نداشت، این که آن‌ها به وسیله افق رویداد سیاه‌چاله از جهان خارج پنهان داشته می‌شوند برای وی کافی نبود، او این مفهوم را که "اگر نمی‌توانی چیزی را ببینی، لازم نیست درباره‌اش نگران باشی" دوست نداشت.

بنابراین به کار با روزن روی آورد. در سال ۱۹۳۵، این دو مقاله‌ای نوشتند که شواهد مؤیدی به نفع وجود پلی میان سیاه‌چاله و سفیدچاله ارائه می‌داد، این پل را پل اینشتین - روزن نامیدند.

هدف مقاله انیشتین و روزن، تبلیغ سفر با سرعتی بیش از سرعت نور یا سفر میان جهانی نبود، بلکه آن‌ها تلاش می‌کردند تا ذرات بنیادی مانند الکترون را به مثابه تونل‌هایی فضایی که با خطوط نیروی الکتریکی مشخص می‌شوند، توضیح دهند. اما نویسندگان داستان‌های علمی، اندیشه پل انیشتین – روزن را اخذ کردند و آن را در مورد سفینه‌های فضایی از طریق آن چه امروزه "کرم‌چاله" خوانده می‌شود، به کار بستند. بنابراین، آن چه در اصل اینشتین نظریه آن را ارائه کرده بود، اکنون توسط نویسندگان داستان‌های علمی به منظور دور زدن مشکلی که نسبیت عام انیشتین برای آن‌ها ایجاد کرده بود (این که حرکت با سرعت بیش از سرعت نور ناممکن است) مورد استفاده قرار می‌گرفت.

تصویر، پل اینشتین – روزن را با سفینه‌ای که وارد
کرم‌چاله می‌شود، را نشان می‌دهد. اما در نظریه
اینشتین – روزن، تصور اینکه اشیاء بزرگتر از الکترون
بتوانند از کرم‌چاله عبور نمایند، حتی مورد بررسی
قرار نگرفته است و بنابراین سناریویی که نویسندگان
داستان‌های علمی ترسیم می‌کنند، صحیح نیست.

اثر انیشتین – روزن برای بسیاری از فیزیکدانان آن دوره آزاردهنده بود، زیرا چنین تونلی در اصل، می‌توانست انتقال اطلاعات را با سرعتی بیش از سرعت نور را ممکن سازد و بدین ترتیب یکی از اصول موضوعه کلیدی نسبیت خاص را که "علیت انیشتینی" نام دارد، نقض کند.

در سال ۱۹۶۲، John Wheeler کشف کرد که ساختار پل اینشتین - روزن، در فضای بدون میدان، از لحاظ دینامیکی ناپایدار است. او نشان داد که اگر چنین کرم چاله‌ای به نحوی باز شود، پیش از آن که حتی یک فوتون بتواند از آن عبور نماید بسته می‌شود و بدین ترتیب علیت انیشتینی حفظ می‌گردد.

این اثر به دو طبقه‌بندی متفاوت برای کرم‌چاله‌ها منتهی گردید: کرم‌چاله‌های لورنتزی (Lorentzian Wormholes) و کرم‌چاله‌های اقلیدسی (Euclidean Wormholes).

کرم‌چاله های لورنتزی دست کم دو گونه هستند. کرم‌چاله‌های میان جهانی
(تصویر بالا: کرم‌چاله‌هایی که یک جهان را به جهانی دیگر متصل می‌سازند)

و کرم‌چاله‌های درون جهانی (تصویر پایین: کرم‌چاله‌هایی که دو منطقه دور از

یک جهان را به یکدیگر مربوط می‌سازند).

کرم‌چاله‌های لورنتزی، اساسن، میانبرهایی در فضا و زمان هستند، اما فورن بسته می‌شوند، مگر آن که شکلی از انرژی منفی به تحوی آن‌ها را باز نگه دارد. ایجاد مقادیر کوچک انرژی منفی در آزمایشگاه بر اساس اصلی موسوم به اثر کازیمیر ممکن است.

یک نتیجه فرعی کرم‌چاله‌های لورنتزی این بود که اشیائی که از آن‌ها عبور می‌کنند نه تنها در مکان که در زمان نیز حرکت می‌نمایند - با فرض این که جهان‌های موازی وجود دارند. کرم‌چاله‌های اقلیدسی، از این هم عجیب‌ترند، زیرا در زمان موهومی زندگی می‌کنند و ذاتن پدیده‌های کوانتوم مکانیکی مجازی هستند. این کرم‌چاله‌، بیشتر مورد توجه نظریه پردازان میدان کوانتومی قرار دارند.

در سال ۱۸۶۵ که نسبیت، مکانیک کوانتومی و کیهان‌شناسی مدرن در کار نبود، Charles Dodgson، "آلیس در سرزمین عجایب" را نوشت. موضوع این داستان کودکانه، جهان‌های موازی بود. قسمت مشهوری در این داستان هست که در آن آلیس، خرگوش سفیدی را در سوراخی تعقیب می‌کند، اکنون می‌توان این سوراخ را پل اینشتین – روزن نامید. در سرزمین عجایب، قوانین فیزیک دیگر معتبر نیستند و بدین ترتیب ممکن است فرآیندهای عجیبی روی دهد. اما به یاد داشتن این نکته حائز اهمیت است که داجسون نمی‌دانست چه نوع مکانیسمی، وقوع این امر را ممکن می‌سازد. اندیشه‌ی استفاده از کرم‌چاله برای طی کردن فواصل دور، در سال ۱۹۸۵ توسط Carl Sagan در نوشتن داستانی به نام"تماس" مورد استفاده قرار گرفت. وی می‌خواست در این داستان، بدون نقض نسبیت، از روشی برای حرکت یکی از شخصیت‌های داستان با سرعتی بیش از سرعت نور استفاده کند.

متأسفانه در حال حاضر، کرم چاله‌ها بیش از آن که امری علمی باشند، داستان علمی - تخیلی هستند. کرم‌چاله، شکافی نظری در جواب ریاضی نسبیت عام است. اگر روزی ثابت می‌شد، امکان آن بود که برای طی کردن بسیار سریع فواصل دور از آن استفاده شود. هرگز ثابت نشده است که کرم چاله‌ها وجود دارند و مؤیدی تجربی برای آن‌ها وجود ندارد (به دلیل دشوار بودن آشکارسازی سیاه چاله‌ها)، اما یقینن اندیشیدن به امکاناتی که وجود آن‌ها پدید می‌آورد، جالب است.