کرم‌چاله

کرم‌چاله (به انگلیسی: Wormhole) (یا پل آینشتاین-روزن یا کرم‌چاله آینشتاین-روزن)، یک ساختار فرضی است که نقاط نامتجانس در فضا-زمان را به هم پیوند داده و بر پایه جواب خاص معادلات میدان اینشتین فرضیه سازی شده‌است.

بخشی از سری مقالات در مورد:
نسبیت عام
معادلات میدان اینشتین
آشنایی با نسبیت عام عصر طلایی نسبیت عام ریاضیات نسبیت عام آزمون‌های نسبیت عام
مفاهیم بنیادین اصل نسبیت نظریه نسبیت هموردایی عام معیت نسبیت همزمانی سینماتیک رویداد (نسبیت) چارچوب مرجع دستگاه مرجع لخت جرم (فیزیک) جرم (فیزیک) Rest frame Center-of-momentum frame انحنا ژئودزیک Geon اصل هم‌ارزی جرم در نسبیت عام هم‌ارزی جرم و انرژی اصل ناوردایی جرم نامتغیر Spacetime symmetries نسبیت خاص Doubly special relativity de Sitter invariant special relativity لائورنت نوتال سرعت نور مشتق زمانی زمان ویژه Proper length انقباض طول Action at a distance Principle of locality هندسه ریمانی شرایط انرژی
پدیده‌ها مغناطیس گرانشی مسئله دو جسم در نسبیت عام گرانش میدان گرانشی پتانسیل گرانشی همگرایی گرانشی امواج گرانشی انتقال به سرخ گرانشی انتقال به سرخ انتقال‌به‌آبی اتساع زمان اتساع زمان گرانشی تأخیر شاپیرو پتانسیل گرانشی Gravitational compression رمبش گرانشی کشش چارچوب اثر ژئودزیکی Apparent horizon افق رویداد تکینگی گرانشی تکینگی برهنه سیاه‌چاله سفیدچاله فضازمان پیکان زمان مخروط نوری خط جهانی فضای سه‌بعدی فضای چهاربعدی فضا زمان منیفلد (هندسه) منیفلد دیفرانسیل‌پذیر Riemannian manifold Configuration space فضای حالت (فیزیک) فضای فاز فضای هیلبرت فضای اقلیدسی فضای توپولوژی Topological defect نمودار مینکوفسکی فضای مینکوفسکی Lorentz scalar Closed timelike curve (CTC) کرم‌چاله Ellis wormhole
معادلات فرمالیسم‌ها معادلات گرانش خطی‌شده معادلات میدان اینشتین معادلات فریدمان ژئودزیک‌ها در نسبیت عام Mathisson–Papapetrou–Dixon معادله همیلتون-ژاکوبی-اینشتین Curvature invariant (general relativity) تبدیل لورنتس منیفلد شبه ریمانی Globally hyperbolic manifold Causality conditions ساختار علی فرمالیسم‌ها صورت‌گرایی ای‌دی‌ام صورت‌گرایی بی‌اس‌اس‌ان Newman–Penrose صورت‌گرایی پسانیوتنی پارامتری نظریه پیشرفته نظریه برانس دیکی فرضیه سانسور کیهانی نظریه کالوزا-کلین گرانش کوانتومی ابرگرانش
حل‌ها Relativistic disk متریک شوارتس‌شیلد (interior) 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 Weyl–Lewis–Papapetrou Vacuum solution
قضایا Birkhoff's theorem Geroch's splitting theorem Goldberg–Sachs theorem Lovelock's theorem نظریه بدون مو قضایای تکینگی پنروز-هاوکینگ Positive energy theorem
دانشمندان آلبرت اینشتین هندریک لورنتز دیوید 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 سوبرامانیان چاندراسخار 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 در نسبیت عام

کرم‌چاله را می‌توان به صورت تونلی تصور کرد که پایانه‌های آن در نقاط مجزایی از فضا-زمان قرار دارند (یعنی، مکان‌های متفاوت یا نقاط متفاوتی از زمان یا هردو)

کرم‌چاله‌ها با نظریه نسبیت عام آینشتاین سازگاری داشته اما وجود کرم‌چاله در جهان واقعی هنوز مشاهده نشده‌است. بسیاری از دانشمندان فرضیه سازی کرده‌اند که کرم‌چاله‌ها صرفاً تصویری (افکنشی) از بعد جهارم فضا اند، همان‌طور که دو بعد را می‌توان تنها به عنوان بخشی از یک شیء سه بعدی تجربه نمود.[1]

کرم‌چاله‌ها قادر به اتصال فواصل بسیار طولانی (در مقیاس میلیارد سال نوری یا بیشتر)، فواصل کوتاه چند متری، جهان‌های متفاوت یا نقاط متفاوتی از زمان اند.[2]

تصویرسازی

تصوری از کرم‌چاله در رویه دو بعدی

برای بیان ساده مفهوم کرم‌چاله، فضا را می‌توان به صورت یک سطح دو-بعدی در نظر گرفت. در چنین حالتی، کرم‌چاله را می‌توان به صورت سوراخی در این سطح در نظر گرفت که منجر به ایجاد لولهٔ سه‌بعدی می‌گردد (سطح داخلی یک استوانه)، آنگاه این لوله در مکان دیگری از همان سطح دو بعدی به صورت یک حفره مشابه با حفره ورودی ظهور خواهد کرد. کرم‌چاله حقیقی در صورت وجود مشابه با توصیف اخیر است، با این تفاوت که به ابعاد فضایی که در این توصیف به کار رفتند یکی اضافه می‌گردد. به عنوان مثال، به جای حفره‌های دایره‌ای روی صفحه دو بعدی، نقاط ورودی و خروجی را می‌توان به صورت سوراخ‌های کروی در فضای سه بعدی تصور نمود که منجر به «لوله» چهار بعدی مشابه با اسفریندر (استوانه کره‌ای در فضای چهار بعدی، Spherinder) خواهد بود.

روش دیگر جهت تصور کرم‌چاله‌ها این است که ورقه کاغذی را برداشته و دو نقطه جدا از هم و فاصله دار را بر روی آن ترسیم نموده، آنگاه این ورق کاغذ نمایانگر صفحه ای از فضا-زمان پیوسته بوده و دو نقطه ترسیم شده فاصله ای که باید طی شود را مشخص می‌کنند، اما از لحاظ نظری، کرم‌چاله قادر به اتصال دو نقطه به وسیله خم کرده صفحه می‌باشد (یعنی خم کردن ورقه کاغذ)، چنان‌که نقاط همدیگر را لمس کنند. بدین طریق، مسافرت بین دو نقطه بسیار راحت تر خواهد بود، چون دو نقطه دیگر از هم فاصله ای ندارند.

تاریخچه

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»[3] و «سیاه‌چاله فضایی»[4] 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.[5] 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:

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

یک گونه از متریک کرمچاله گذرناپذیر پاسخ شوارتزشیلد است:

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

ارجاعات

1. Choi, Charles Q. (2013-12-03). "Spooky physics phenomenon may link universe's wormholes". NBC News. Retrieved 2019-07-30.
2. "Focus: Wormhole Construction: Proceed with Caution". Physics. American Physical Society. 2. 1998-08-03.
3. Lifting the scientific veil: science appreciation for the nonscientist. Paul Sukys. Rowman & Littlefield, 1999. ISBN 0-8476-9600-6 pp.227
4. John Wheeler: 1911-2008 - physicsworld.com
5. Einstein, Albert and Rosen, Nathan. The Particle Problem in the General Theory of Relativity. Physical Review 48, 73 (1935).

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Wormhole». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۱۰ ژوئن ۲۰۲۱.

منابع

• DeBenedictis, Andrew; Das, A. (2001). "On a General Class of Wormhole Geometries". Classical and Quantum Gravity. 18 (7): 1187–1204. arXiv:gr-qc/0009072. Bibcode:2001CQGra..18.1187D. CiteSeerX 10.1.1.339.8662. doi:10.1088/0264-9381/18/7/304. S2CID 119107035.
• Dzhunushaliev, Vladimir (2002). "Strings in the Einstein's paradigm of matter". Classical and Quantum Gravity. 19 (19): 4817–4824. arXiv:gr-qc/0205055. Bibcode:2002CQGra..19.4817D. CiteSeerX 10.1.1.339.1518. doi:10.1088/0264-9381/19/19/302. S2CID 976106.
• Einstein, Albert; Rosen, Nathan (1935). "The Particle Problem in the General Theory of Relativity". Physical Review. 48 (1): 73. Bibcode:1935PhRv...48...73E. doi:10.1103/PhysRev.48.73.
• Fuller, Robert W.; Wheeler, John A. (1962). "Causality and Multiply-Connected Space-Time". Physical Review. 128 (2): 919. Bibcode:1962PhRv..128..919F. doi:10.1103/PhysRev.128.919.
• Garattini, Remo (2004). "How Spacetime Foam modifies the brick wall". Modern Physics Letters A. 19 (36): 2673–2682. arXiv:gr-qc/0409015. Bibcode:2004MPLA...19.2673G. doi:10.1142/S0217732304015658. S2CID 119094239.
• González-Díaz, Pedro F. (1998). "Quantum time machine". Physical Review D. 58 (12): 124011. arXiv:gr-qc/9712033. Bibcode:1998PhRvD..58l4011G. doi:10.1103/PhysRevD.58.124011. hdl:10261/100644. S2CID 28411713.
• González-Díaz, Pedro F. (1996). "Ringholes and closed timelike curves". Physical Review D. 54 (10): 6122–6131. arXiv:gr-qc/9608059. Bibcode:1996PhRvD..54.6122G. doi:10.1103/PhysRevD.54.6122. PMID 10020617. S2CID 7183386.
• Khatsymosky, Vladimir M. (1997). "Towards possibility of self-maintained vacuum traversable wormhole". Physics Letters B. 399 (3–4): 215–222. arXiv:gr-qc/9612013. Bibcode:1997PhLB..399..215K. doi:10.1016/S0370-2693(97)00290-6. S2CID 13917471.
• Krasnikov, Serguei (2006). "Counter example to a quantum inequality". Gravity and Cosmology. 46 (2006): 195. arXiv:gr-qc/0409007. Bibcode:2006GrCo...12..195K.
• Krasnikov, Serguei (2003). "The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts". Physical Review D. 67 (10): 104013. arXiv:gr-qc/0207057. Bibcode:2003PhRvD..67j4013K. doi:10.1103/PhysRevD.67.104013. S2CID 17498199.
• Li, Li-Xin (2001). "Two Open Universes Connected by a Wormhole: Exact Solutions". Journal of Geometry and Physics. 40 (2): 154–160. arXiv:hep-th/0102143. Bibcode:2001JGP....40..154L. CiteSeerX 10.1.1.267.8664. doi:10.1016/S0393-0440(01)00028-6. S2CID 44433480.
• Morris, Michael S.; Thorne, Kip S.; Yurtsever, Ulvi (1988). "Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition" (PDF). Physical Review Letters. 61 (13): 1446–1449. Bibcode:1988PhRvL..61.1446M. doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446. PMID 10038800.
• Morris, Michael S.; Thorne, Kip S. (1988). "Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity". American Journal of Physics. 56 (5): 395–412. Bibcode:1988AmJPh..56..395M. doi:10.1119/1.15620.
• Nandi, Kamal K.; Zhang, Yuan-Zhong (2006). "A Quantum Constraint for the Physical Viability of Classical Traversable Lorentzian Wormholes". Journal of Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 9 (2006): 61–67. arXiv:gr-qc/0409053. Bibcode:2004gr.qc.....9053N.
• Ori, Amos (2005). "A new time-machine model with compact vacuum core". Physical Review Letters. 95 (2): 021101. arXiv:gr-qc/0503077. Bibcode:2005PhRvL..95b1101O. doi:10.1103/PhysRevLett.95.021101. PMID 16090670.
• Roman, Thomas A. (2004). "Some Thoughts on Energy Conditions and Wormholes". The Tenth Marcel Grossmann Meeting. pp. 1909–1924. arXiv:gr-qc/0409090. doi:10.1142/9789812704030_0236. ISBN 978-981-256-667-6. S2CID 18867900. Missing or empty |title= (help)
• Teo, Edward (1998). "Rotating traversable wormholes". Physical Review D. 58 (2): 024014. arXiv:gr-qc/9803098. Bibcode:1998PhRvD..58b4014T. CiteSeerX 10.1.1.339.966. doi:10.1103/PhysRevD.58.024014. S2CID 15316540.
• Visser, Matt (2002). "The quantum physics of chronology protection by Matt Visser". arXiv:gr-qc/0204022. An excellent and more concise review.
• Visser, Matt (1989). "Traversable wormholes: Some simple examples". Physical Review D. 39 (10): 3182–3184. arXiv:0809.0907. Bibcode:1989PhRvD..39.3182V. doi:10.1103/PhysRevD.39.3182. PMID 9959561. S2CID 17949528.