کاروتک
شکار کرمچالهها: دانشمندان چگونه به‌دنبال این تونل‌های فضا و زمان می‌گردند؟
کرمچالهها، بخش جدانشدنی داستان‌های علمی-تخیلی، ممکن است بالاخره به واقعیت تبدیل شوند.
کرمچالهها را می‌توان میان‌برهایی برای سفر در فضا و زمان نام برد که مدت‌ها است جزء اصلی داستان‌های علمی-تخیلی هستند. اما برخی از دانشمندان بر این باورند که ما به‌زودی می‌توانیم ثابت کنیم که کرمچالهها بخشی واقعی از جهان هستند. با کارو تک برای بررسی منشأ و نحوه پیداش ایده کرمچالهها همراه باشید.
کرمچالهها ریشه در نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین دارند؛ این شاهکار پیشگامانه او توانست ایده‌های ما در مورد گرانش را بسیار تغییر دهد. برای قرن‌ها فکر می‌کردیم که به‌لطف آیزاک نیوتن می‌دانیم گرانش چگونه کار می‌کند؛ سیب‌ها از درخت بر روی زمین می‌افتند و زمین به‌دلیل کشش گرانشی بین اجسام در مدار خورشید می‌ماند. با این حال انیشتین از زاویه دیگری به گرانش نگاه کرد و نشان داد که آن‌چه ما به‌عنوان گرانش تجربه می‌کنیم، صرفاً خم شدن فضا و زمان است. طبق این ایده جدید، زمین به دور خورشید به‌دلیل این‌که فضای اطرافش توسط خورشید منحرف می‌شود می‌چرخد.
چنین ایده احمقانه‌ای نیاز مبرمی به شواهد تجربی برای پشتیبانی از آن داشت که یک خورشید گرفتگی بزرگ در سال 1919 دقیقاً چنین فرصتی را ارائه داد. وقتی ماه جلوی خورشید را گرفت، آسمان آن‌قدر تاریک شد که امکان مشاهده ستارگان نزدیک فراهم شد. با این حال، ما این ستارگان را در جایی که واقعاً هستند نمی‌دیدیم؛ زیرا گرانش خورشید نور آن‌ها را در مسیر خود به سمت ما خم می‌کرد. در این بین، دو تئوری نیوتون و انیشتین مقابل یک‌دیگر قرار گرفتند و انسان‌ها متوجه شدند که تئوری انیشتین تعریف بسیار بهتری را از گرانش ارائه می‌دهد. در آن روز، علم به این درک رسید که اجرام عظیم (مانند سیاه‌چاله‌ها و کرمچالهها) می‌توانند فضا-زمان اطراف خود را خم کنند.
تفسیر یک هنرمند از استفاده از کرم‌چاله برای سفر در فضا.
فضا را به‌عنوان یک ورق کاغذ بزرگ تصور کنید. شما در یک سر زندگی می‌کنید و می‌خواهید به انتهای دیگر سفر کنید. معمولاً برای رسیدن به آن باید تمام طول صفحه را طی کنید. اما اگر به‌جای آن کاغذ را از وسط تا کنید چه اتفاقی می‌افتد؟ ناگهان جایی که هستید و جایی که می‌خواهید باشید دقیقاً در کنار یک‌دیگر قرار می‌گیرند و شما به‌سادگی باید از آن شکاف کوچک پرش کنید. ما این شکاف‌ها را کرم‌چاله می‌نامیم؛ زیرا مانند کرم‌هایی هستند که سعی می‌کنند راه خود را در دو طرف یک سب طی کنند. این کرم‌ها برای رسیدن از بالای سب به پایین سیب دو راه دارند: یا باید دور سیب بخزند تا به سر دیگر آن برسند، یا باید از وسط شروع به جویدن سیب کنند تا به پایین سیب برسند. کرمچالهها، کرم‌هایی هستند که از وسط سیب شروع به جویدن می‌کنند تا میان‌بر بزنند.
تا همین اواخر شانس ما برای یافتن این تونل‌ها (اگر حتی وجود داشته باشند) در بهترین حالت بسیار اندک بود. اما در فوریه 2016، زمانی که دانشمندان در آزمایش LIGO اولین کشف امواج گرانشی را اعلام کردند، این موضوع تغییر کرد. این امواج، امواج کوچکی در تار و پود فضا-زمان هستند که توسط نسبیت عام پیش‌بینی شده‌اند و مانند موج‌های روی یک برکه در سراسر جهان پخش می‌شوند. ویتور کاردوسو، فیزیک‌دان دانشگاه لیسبون گفت که این کشف می‌تواند معمای همیشگی کرمچالهها را حل و پرده از اسرار این تونل‌های مرموز بردارد.
حدود 1.3 میلیارد سال پیش، دو سیاه‌چاله که هر کدام حدود 30 برابر جرم خورشید ما وزن داشتند، به یک‌دیگر برخورد کردند. انفجار شدید آن‌ها باعث شد سونامی امواج گرانشی عظیمی در فضا-زمان به‌وجود بیاید و در نهایت در سپتامبر 2015 به ابزار LIGO برسد.
تحقیقات کاردوسو نشان می‌دهد که برخورد دو کرم‌چاله نیز می‌تواند انفجار مشابهی از امواج گرانشی را ایجاد کند. با این حال، او می‌گوید که امواج حاصل کمی متفاوت خواهند بود و به ما اجازه می‌دهند بین سیاه‌چاله‌ها و کرمچالهها تمایز قائل شویم.
نکته کلیدی در اینجا چیزی است که به‌عنوان «Ringdown» شناخته می‌شود؛ Ringdown فرایندی است که در آن امواج گرانشی پس از برخورد اولیه از بین می‌روند. تا حالا دقت کرده‌اید که صدای یک زنگ در طول زمان محو می‌شود؟ Ringdown دقیقا چیزی همانند صدای آن زنگ است. کاردوسو در این‌باره می‌گوید:
زمانی که دو کرم‌چاله به یک‌دیگر برخورد می‌کنند، ابتدا به چرخش در می‌آیند؛ درست مانند سیاه‌چاله‌ها. اما اگر با دقت بیش‌تری به آن‌ها توجه کنیم، متوجه می‌شویم که چند ثانیه پس از انفجار اصلی، اتفاق متفاوتی رخ می‌دهد. این موضوع به‌دلیل ماهیت سیاه‌چاله‌ها است؛ زیرا سیاه‌چاله‌ها هر چیزی که نزدیک‌شان باشد را می‌بلعند.
او در ادامه گفت:
اگر محل برخورد دو سیاه‌چاله به یک‌دیگر را مرکز یک دایره در نظر بگیریم، کناره‌های دایره پس از انفجار به حالت اولیه خود برمی‌گردند و ساکن می‌شوند. اما در برخورد دو کرم‌چاله با یک‌دیگر، پس از ساکن شدن، یک پژواک دریافت شروع به نشر می‌کند. به‌عبارتی دیگر، یک سیگنال ناگهانی از سطح کرمچالهها پرتاب می‌شود. اما سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند این سینگنال را پرتاب کنند؛ زیرا پس از برخورد همه چیز را می‌بلعند. در واقع، این دقیقا همان تفاوت بین برخورد دو سیاه‌چاله با یک‌دیگر با برخورد دو کرم‌چاله با یک‌دیگر است.
متأسفانه، LIGO در حال حاضر به اندازه کافی برای دریافت این سیگنال حساس نیست. با این حال، محققان در حال ارتقای ابزارهای LIGO هستند و کاردوسو می‌گوید که ممکن است در ده سال آینده این امکان وجود داشته باشد که سیگنال کرمچالهها را تشخیص دهیم. یکی دیگر از پروژه‌های هیجان‌انگیز آینده، آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) آژانس فضایی اروپا (ESA) است. این پروژه یک رصدخانه امواج گرانشی در فضا است که تاریخ پرتاب آزمایشی آن سال 2034 است. با این حال، ESA در سال 2015 مسیریاب LISA را پرتاب کرد؛ مأموریت این مسیریاب توسعه فناوری‌های کلیدی خاصی است که برای موفقیت LISA حیاتی هستند. در آوریل 2016، ESA اعلام کرد که این مسیریاب امکان موفقیت‌آمیز بودن پروژه LISA را تأیید می‌کند.
اما آیا سیگنالی که هنگام برخورد دو کرم‌چاله تولید می‌شود، تنها راه شناسایی این میان‌بر‌های فضا-زمان است؟ خوش‌بختانه خیر. دیگو روبیرا گارسیا، هم‌کار سابق کاردوسو در دانشگاه لیسبون، ایده دیگری دارد. او در حال تحقیق درباره آن‌چه در اعماق یک سیاه‌چاله می‌گذرد، است. سیاه‌چاله‌ها، همان‌طور که نسبیت عام توصیف می‌کند، تمام اجسام را در یک نقطه بی‌نهایت کوچک متراکم و فشرده می‌کنند و یک تکینگی بی‌نهایت ایجاد می‌کنند. روبیرا گارسیا می‌گوید:
هر کسی که به این نقطه نزدیک شود، نابود می‌شود و هیچ جای دیگری برای رفتن او وجود ندارد. در این تکینگی، نسبیت عام به‌طور کامل از بین می‌رود؛ این امر باعث می‌شود بسیاری از فیزیک‌دانان مطمئن شوند که ما به مجموعه قوانین جدیدی برای جایگزینی نسبیت عام در چنین محیط خاص نیاز داریم.
و اینجاست که کرمچالهها وارد می‌شوند. وقتی روبیرا گارسیا یکی از مجموعه قوانین جایگزین را برای فیزیک سیاه‌چاله‌ها اعمال کرد، تکینگی ناپدید شد و ریاضیات به جای آن کرمچالهها را به‌وجود آوردند. او می‌گوید که در آن صورت ممکن است یک انسان از این کرم‌چاله عبور کند و به منطقه دیگری از کیهان برود. اما مشکل اینجاست که این میان‌برها ممکن است فقط یک فرض ریاضی باشد و اصلا وجود خارجی نداشته باشد. مانند تمام تئوری‌های علمی خوب، این نظریه نیاز به آزمایش دارد؛ درست مانند نظریه انیشتین در سال 1919. ولی ما برای اثبات این فرضیه باز هم به امواج گرانشی نیاز داریم.
هنگامی که انسان‌ها بتوانند به یک کالکسیون کامل از انواع و اقسام امواج گرانشی دست پیدا کنند، می‌توانند در میان داده‌ها به دنبال انحرافات از آن‌چه که نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند، بگردند. اگر این انحرافات پیدا شوند و با آن‌چه نظریه جایگزین پیش‌بینی می‌کند مطابقت داشته باشند، می‌توان نشان داد که کرمچالهها واقعاً درون سیاه‌چاله‌ها کمین کرده‌اند.
اولین کشف امواج گرانشی عصر جدیدی را بشیریت آغاز کرد؛ دورانی که در آن ممکن است به خوبی دریابیم که کرمچالهها فقط یک داستان علمی-تخیلی نیستند. به امید آن روزی که بتوانیم تمام نقاط تاریک کیهان را با نور علم روشن کنیم.
نظر شما در مورد کرمچالهها چیست؟ آیا فکر می‌کنید که این میان‌بر‌های فضا-زمان وجود دارند یا فقط زاده‌ی تخیلات انسان‌ها هستند؟ نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید.
پی‌نوشت
نظریه نسبیت: نظریه نسبت، به دو نظریه «نسبیت عام» و «نسبیت خاص» تقسیم می‌شود. پایه این نظریه بر اساس این است که زمان و فضا مانند دو برادر به یک‌دیگر متصل هستند و هیچ‌وقت از هم جدا نمی‌شوند.
تکینگی گرانشی: تکینگی گرانشی یا همان تکینگی فضا زمان، حالت خاصی در فضا زمان است که در آن چگالی و میدان گرانشی جسم به سمت می‌نهایت سوق پیدا می‌کنند؛ به‌طوری که دیگر نمی‌توان از دستگاه مختصات برای آن‌ها استفاده کرد. این پدیده به‌دلیل نظریه نسبیت عام اتفاق می‌افتد.
انتشار متن مطالب کاروتک در نشریات کاغذی یا رسانه‌های دیجیتال٬ بدون کسب اجازه از مدیر سایت ممنوع است.
کاری با 
در استودیو کارو
