کرم‌چاله چیست؟ همه چیز درمورد کرم چاله_آفتاب شرق

فکر کنید دهانه‌ای کروی در برابر شما ظاهر شود که درون آن بخشی کاملاً متفاوت از جهان دیده می‌شود. با عبور از آن، امکان پذیر بدون پیمودن هزاران سال نوری در فضای معمولی، از مسیری زیاد مختصر‌تر به نزدیکی ستاره‌ای دور برسید. فیزیکدانان به این چنین بین‌بری در ساختار فضا و زمان «کرم‌چاله» (Wormhole) می‌گویند. کرم‌چاله‌ها تا این مدت مشاهده نشده‌اند، اما برخی جواب‌های معادلات نسبیت عام وجود آن‌ها را ممکن می‌دانند. اگر این ساختارها واقعاً وجود داشته باشند، نه‌تنها سفر بین ستاره‌ای، بلکه فکر ما از فاصله، زمان و رابطه علت و معلول را تحول خواهند داد.

کرم‌چاله دقیقاً چیست؟

کرم‌چاله ساختاری فرضی در فضاـزمان است که می‌تواند بین دو نقطه زیاد دور، مسیری مختصر تشکیل کند. این دو نقطه می‌توانند در دو سوی یک کهکشان، در دو کهکشان جدا یا حتی در قسمت‌هایی زیاد دور از جهان قرار داشته باشند. در برخی مدل‌های نظری نیز دو دهانه کرم‌چاله می‌توانند به زمان‌های متغیری متصل شوند.

برای فهمیدن بهتر، سطح یک سیب را فکر کنید. کرمی که فقط روی پوست سیب حرکت می‌کند، برای رسیدن به طرف دیگر باید مسیر نسبتاً بلندی را طی کند. اما اگر از داخل سیب تونلی مستقیم بسازد، راه زیاد مختصر‌تر می‌شود. در این مثال، سطح سیب مسیر معمول حرکت در فضا و تونل داخلی، همان بین‌بری است که کرم‌چاله تشکیل می‌کند. یقیناً این فقط یک تشبیه ساده است، چون جهان ما سه بُعد فضایی و یک بُعد وقتی دارد و ساختار واقعی یک کرم‌چاله زیاد پیچیده‌تر خواهد می بود.

کرم‌چاله را نباید سوراخی معمولی در فضای خالی فکر کرد. مطابق نسبیت عام، فضا و زمان با هم بافتی چهاربعدی به‌نام فضاـزمان را راه اندازی خواهند داد. جرم و انرژی می‌توانند این بافت را خم کنند. کرم‌چاله نوعی خمیدگی زیاد شدید و غیرعادی در هندسه فضاـزمان است که دو ناحیه دور را مستقیماً به یکدیگر پیوند می‌دهد. به این علت، مسافر از یک لوله مادی عبور نمی‌کند، بلکه مسیری را طی می‌کند که خود فضاـزمان آن را مختصر کرده است.

هنگامی فضا و زمان دیگر ثابت نبودند

تا اغاز قرن بیستم، زیاد تر فیزیکدانان فضا را بستری ثابت و تغییرناپذیر می‌دانستند. زمان هم جریانی یکنواخت و جهانی فکر می‌شد که برای همه ناظران، در هر نقطه از جهان، با آهنگی یکسان می‌گذرد. در این چنین تصویری، فاصله بین دو نقطه، مقداری ثابت می بود و خود فضا نمی‌توانست کشیده، فشرده یا خم شود.

این برداشت در سال ۱۹۰۵ با نظریه نسبیت خاص اینشتین تحول کرد. اینشتین نشان داد که اندازه‌گیری زمان و فاصله به حالت حرکت ناظر بستگی دارد. دو ناظر که با شدت‌های متفاوت حرکت می‌کنند، امکان پذیر درمورد زمان یک اتفاقات یا فاصله بین دو نقطه نتایج یکسانی به‌دست نیاورند. چند سال سپس، «هرمان مینکوفسکی» (Hermann Minkowski) این ایده را در قالبی هندسی فرمود و نشان داد که فضا و زمان، دو قسمت جدا از جهان نیستند، بلکه با هم ساختاری چهاربعدی به‌نام فضاـزمان راه اندازی خواهند داد.

اینشتین در سال ۱۹۱۵ با اراعه نسبیت عام، این عکس را یک قدم جلوتر برد. در این نظریه، گرانش دیگر نیرویی نامرئی نیست که اجسام را از فاصله دور به سوی یکدیگر بکشد. جرم و انرژی، هندسه فضاـزمان را تحول خواهند داد و به آن می‌گویند چطور خم شود و فضاـزمان نیز مسیر حرکت ماده را تعیین می‌کند.

حرکت زمین به دور خورشید مثالای از همین فرایند است. خورشید با جرم عظیم خود فضاـزمان اطرافش را خم و زمین در این هندسه خمیده، طبیعی‌ترین مسیر ممکن را جستوجو می‌کند. نور نیز زمان عبور از کنار اجرام پرجرم منحرف می‌شود، چون مسیرش از فضایی می‌گذرد که دیگر کاملاً تخت نیست. حتی آهنگ گذر زمان در همه جا یکسان نمی‌ماند. هرچه میدان گرانشی نیرومندتر باشد، زمان برای ناظر محلی نسبت به ناظری دورتر آهسته‌تر می‌گذرد.

بعد از نقل شدن نسبیت عام، سوال جسورانه‌تری شکل گرفت: آیا امکان پذیر این خمیدگی چنان شدید باشد که دو ناحیه زیاد دور را مستقیماً به‌هم متصل کند؟ ایده کرم‌چاله از دل همین سوال بیرون آمد. کرم‌چاله در اصل نتیجه بازدید هندسه‌های ممکن در نسبیت عام است؛ هندسه‌هایی که احتمالا بتوانند به‌جای پیمودن فاصله‌ای طویل در فضای معمولی، بین‌بری در خود فضاـزمان تشکیل کنند.

از نخستین حل سیاه‌چاله تا پل اینشتین–روزن

در سال ۱۹۱۶، تنها چند ماه بعد از انتشار کردن نظریه نسبیت عام، کارل شوارتزشیلد (Karl Schwarzschild) نخستین حل دقیق معادلات اینشتین را برای میدان گرانشی یک جرم کروی، ثابت و بدون چرخش به‌دست آورد. مقصد او توصیف گرانش بیرون ستاره‌ای همانند خورشید می بود، اما راه‌حلش نتیجه‌ای زیاد شگفت‌تر در خود داشت. اگر جرم کافی در ناحیه‌ای بیشتر از حد کوچک فشرده شود، ساختاری شکل می‌گیرد که امروز آن را سیاه‌چاله می‌نامیم. مرز این ناحیه افق اتفاقات است. بعد از عبور از این مرز، هیچ جسمی (حتی نور) نمی‌تواند به بیرون بازگردد.

در همان سال، فیزیکدان اتریشی «لودویگ فلام» (Ludwig Flamm) هندسه راه‌حل شوارتزشیلد را بازدید کرد. او نشان داد که یک برش فضایی از این هندسه می‌تواند به‌صورت سطحی خمیده با گلوگاهی باریک نمایش داده شود. این ساختار تا این مدت کرم‌چاله به معنی امروزی نبوده است، اما یکی از نخستین نشانه‌های ریاضی مسیری می بود که بعدها به مفهوم پل یا تونل فضاـزمان منتهی شد.

یکی از نکات گیج‌کننده در راه‌حل شوارتزشیلد، حرکت معادلات در افق اتفاقات می بود. در مختصات اولیه، برخی کمیت‌ها در این مرز بی‌نهایت می‌شدند و این چنین به نظر می‌رسید که فضاـزمان در آنجا دچار گسست یا تکینگی شده است. بعدها اشکار شد این بی‌نهایت‌شدن یک مشکل فیزیکی واقعی نیست و به انتخاب نامناسب مختصات برمی‌گردد.

با منفعت گیری از مختصات مناسب‌تر، می‌توان راه‌حل شوارتزشیلد را از افق اتفاقات عبور داد و ساختار کامل‌تری از آن به‌دست آورد. در این حالت، علاوه‌بر فضای بیرون و داخل سیاه‌چاله، یک ناحیه خارجی دوم و بخشی همانند سفیدچاله نیز ظاهر می‌شود. سفیدچاله را می‌توان وارون وقتی یک سیاه‌چاله دانست. همان گونه که سیاه‌چاله همه چیز را می‌بلعد، هیچ چیز نمی‌تواند از بیرون داخل سفیدچاله شود. بااین‌حال، سفیدچاله تا بحال مشاهده نشده است و هیچ فرایند طبیعی شناخته‌شده‌ای برای راه اندازی پایدار آن وجود ندارد.

در سال ۱۹۳۵، آلبرت اینشتین و ناتان روزن (Nathan Rosen) هندسه پل‌همانند را با هدفی متفاوت بازدید کردند. آن‌ها در پی ساخت مسیری برای سفر بین ستاره‌ها نبودند، بلکه می‌خواستند ذرات بنیادی را بدون منفعت گیری از تکینگی‌های نقطه‌ای توصیف کنند. در مدل آن‌ها، دو ناحیه جدا از فضاـزمان از طریق گلوگاهی به یکدیگر متصل می‌شدند. این ساختار بعدها پل اینشتین–روزن نام گرفت و یکی از پایه‌های شکل‌گیری مفهوم امروزی کرم‌چاله شد.

پل اینشتین–روزن در نگاه اول دقیقاً همانند یک بین‌بر کیهانی به‌نظر می‌رسد، اما نمی‌توان از آن عبور کرد. گلوگاه این پل پایدار نمی‌ماند و آن‌قدر سریع بسته می‌شود که حتی نور نیز نمی‌تواند از یک ناحیه خارجی داخل شود و از ناحیه دیگر بیرون بیاید. به این علت، اتصال بین دو قسمت فضاـزمان در معادلات وجود دارد، اما به یک مسیر واقعی برای انتقال ماده یا مطلب تبدیل نمی‌شود.

علت این قضیه به هندسه درون سیاه‌چاله بازمی‌گردد. بعد از عبور از افق اتفاقات، همه مسیرهای ممکن رو به آینده به‌سمت قسمت داخلی سیاه‌چاله ادامه اشکار می‌کنند. برای جسمی که داخل افق شده است، حرکت به سوی مرکز دیگر انتخابی نیست. این حرکت به اندازه حرکت زمان به‌سمت آینده اجتناب‌ناپذیر می‌شود. حتی نور نیز نمی‌تواند مسیرش را تحول دهد و خود را به ناحیه خارجی دوم رساند. درنتیجه، مسافر به‌جای عبور از پل و خروج از نظر دیگر، درون سیاه‌چاله به حرکت خود ادامه می‌دهد و در توصیف کلاسیک نسبیت عام، سرانجام به تکینگی می‌رسد. به‌همین‌علت، سیاه‌چاله معمولی را نباید دروازه‌ای طبیعی به نقطه‌ای دور از جهان فکر کرد. افق اتفاقات ورودی یک تونل نیست و تکینگی هم خروجی آن به‌شمار نمی‌رود.

هنگامی کرم‌چاله نام گرفت

در دهه ۱۹۵۰، جان آرچیبالد ویلر (John Archibald Wheeler) بار دیگر دقت فیزیکدانان را به اتصال‌های فرضی در فضاـزمان جلب کرد و نام کرم‌چاله را برای این ساختارها ترویج داد. ویلر از خود سوال کرد آیا فضاـزمان در کوچک‌ترین مقیاس‌های طبیعت هم چنان صاف، مدام و آرام باقی می‌ماند؟

این سوال ما را به مقیاس پلانک می‌رساند؛ طولی در نزدیک به ۱۰ به توان ۳۵- متر. در این چنین مقیاسی، انتظار می‌رود اثرهای کوانتومی گرانش آن‌قدر شدید شوند که عکس معمول ما از فضا و زمان دیگر معتبر نباشد. ویلر نظر کرد که فضاـزمان در این سطح احتمالا ساختاری ناآرام و متغیر داشته باشد؛ محیطی که هندسه آن به‌طور مدام دچار نوسان می‌شود. او این عکس فرضی را کف کوانتومی نامید.

برای فهمیدن این ایده، سطح اقیانوس را فکر کنید. از فاصله‌ای دور، آب صاف و آرام به‌نظر می‌رسد، اما از نزدیک با موج‌ها، حباب‌ها و آشفتگی‌های زیاد مواجه می‌شویم. فضاـزمان نیز امکان پذیر در مقیاس‌های معمولی هموار دیده شود، اما در مقیاس پلانک ساختاری زیاد آشفته داشته باشد. در برخی مدل‌های نظری، این نوسان‌ها می‌توانند برای زمان‌هایی زیاد مختصر، تحول شکل‌های شدید هندسی و حتی اتصال‌هایی میکروسکوپی همانند کرم‌چاله تشکیل کنند که تقریباً بلافاصله ناپدید خواهد شد.

یقیناً کف کوانتومی تا بحال مستقیماً مشاهده نشده است. این مفهوم به قلمرویی تعلق دارد که در آن باید نسبیت عام با مکانیک کوانتومی ترکیب شود. ازآنجاکه تا این مدت نظریه کامل و آزمایش‌شده‌ای برای گرانش کوانتومی نداریم، نمی‌دانیم فضاـزمان در مقیاس پلانک واقعاً چه رفتاری دارد. به این علت، کرم‌چاله‌های کوانتومی فعلاً در حد نظریه باقی مانده‌اند.

بااین‌حال، ایده ویلر پرسشی شوق‌انگیز را نقل کرد: اگر این چنین کرم‌چاله‌های زیاد کوچکی واقعاً در اعماق فضاـزمان به وجود همراه شوند، آیا روزی می‌توان یکی از آن‌ها را بزرگ کرد و آن‌قدر پایدار نگه داشت که چیزی از درونش عبور کند؟ اکنون هیچ روش شناخته‌شده‌ای برای انجام این چنین کاری وجود ندارد. تبدیل یک نوسان احتمالی در مقیاس پلانک به گذرگاهی بزرگ، فقط به معنی افزایش اندازه آن نیست. باید ساختار اتصال فضاـزمان نگه داری شود، گلوگاه در برابر فروپاشی مقاومت کند و انرژی‌ها و نیروهای شدیدی که در این فرایند تشکیل خواهد شد کنترل شوند. امکان پذیر هر یک از این مرحله های به فناوری‌هایی زیاد فراتر از توان ما نیاز داشته باشد یا حتی بر پایه قوانین بنیادی طبیعت ناممکن باشد.

کرم‌چاله قابل‌عبور و قضیه انرژی منفی

در سال ۱۹۸۸، «مایکل موریس» (Michael S. Morris) و «کیپ ثورن» (Kip Thorne) بازدید نوع متغیری از کرم‌چاله را اغاز کردند. انگیزه این پژوهش تا حدی از سوال‌هایی شکل گرفت که «کارل سیگن» (Carl Sagan) زمان نوشتن رمان تماس، درمورد سفر از بین کرم‌چاله نقل کرده می بود. آیا معادلات نسبیت عام فقط پل‌های غیرقابل‌عبوری همانند پل اینشتین–روزن را مجاز می‌دانند یا می‌توان هندسه‌ای طراحی کرد که نور، ماده و حتی انسان بتوانند سالم از آن عبور کنند؟

موریس و ثورن برای جواب به این سوال، روش معمول حل معادلات اینشتین را برعکس کردند. در حالت عادی، فیزیکدانان ابتدا مقدار و نحوه توزیع جرم و انرژی را اشکار و سپس محاسبه می‌کنند که این مواد، فضاـزمان را چطور خم می‌کنند. اما آن‌ها ابتدا شکل مطلوب یک کرم‌چاله قابل‌عبور را در نظر گرفتند و سپس از معادلات پرسیدند چه نوع توزیع جرم، انرژی و سختی می‌تواند این چنین هندسه‌ای را به‌وجود آورد.

در مدل آن‌ها، کرم‌چاله از دو دهانه و یک گلوگاه راه اندازی می‌شود. دهانه‌ها می‌توانند در دو نقطه زیاد دور از جهان قرار داشته باشند و گلوگاه، مسیر مختصر بین آن‌ها را بسازد. فاصله دو دهانه در فضای معمولی امکان پذیر صدها یا هزاران سال نوری باشد، درحالی‌که مسیر درون کرم‌چاله زیاد مختصر‌تر است. به‌همین‌علت، مسافر می‌تواند در زمان اندکی به مقصد برسد و در هیچ قسمت از مسیر خود سریع تر از نور حرکت نکند. او از نور سبقت نمی‌گیرد، بلکه راهی مختصر‌تر را طی می‌کند.

برای ممکن بودن این چنین سفری، چند ویژگی اساسی باید برای کرم‌چاله در نظر گرفته شود. در دهانه‌ها و گلوگاه نباید افق اتفاقات وجود داشته باشد، چون افق اتفاقات مسیر برگشت را می‌بندد. گلوگاه باید به قدر کافی بزرگ باشد و در زمان عبور فرو نریزد. این چنین، اختلاف نیروی گرانش بین قسمت‌های گوناگون بدن مسافر باید آن‌قدر ضعیف باشد که او یا فضاپیمایش را متلاشی نکند.

اما محاسبات به مانعی جدی رسیدند. گرانش معمولی تمایل به بستن گلوگاه کرم‌چاله دارد. برای جلوگیری از این فروپاشی، باید در اطراف گلوگاه نوعی توزیع غیرعادی از انرژی و سختی وجود داشته باشد که در برابر بسته شدن آن مقاومت کند. این عامل فرضی طبق معمولً ماده شگفت نامیده می‌شود.

ماده شگفت را نباید با پادماده نادرست گرفت. پادماده همانند ماده معمولی انرژی و جرم مثبت دارد و انتظار نمی‌رود نقش ضدگرانش را بازی کند. در مدل کرم‌چاله ناحیه‌ای با چگالی انرژی منفی نسبت به خلأ اطراف یا ترکیبی غیرمعمول از انرژی و سختی، ملزوم است. این چنین توزیعی باید دست‌کم برخی از شرط‌های انرژی در نسبیت عام را نقض کند.

شرط‌های انرژی مجموعه‌ای از محدودیت‌های ریاضی‌ می باشند که حرکت ماده و انرژی معمولی را در فضاـزمان توصیف می‌کنند. یکی از آن‌ها شرط انرژی تهی است. بر پایه این شرط، انرژی که یک پرتو نور در مسیر خود اندازه می‌گیرد نباید منفی باشد. زیاد تر مدل‌های کرم‌چاله قابل‌عبور برای باز نگه داشتن گلوگاه مجبورند همین شرط را در ناحیه‌ای محدود نقض کنند.

بر پایه فیزیک کوانتوم، انرژی منفی کاملاً بی‌معنی نیست. در برخی شرایط، انرژی یک ناحیه می‌تواند نسبت به حالت معمول خلأ کمتر باشد. «تاثییر کاسیمیر» (Casimir Effect) نمونه شناخته‌شده‌ای از این حالت است. اگر دو صفحه رسانا در فاصله‌ای زیاد کم از یکدیگر قرار بگیرند، محدود شدن نوسان‌های میدان‌های کوانتومی بین آن‌ها نیرویی قابل‌اندازه‌گیری تشکیل می‌کند. در توصیف نظری، چگالی انرژی بین صفحات نسبت به فضای بیرون می‌تواند منفی در نظر گرفته شود.

بااین‌حال، تاثییر کاسیمیر راه‌حلی آماده برای ساخت کرم‌چاله نیست. مقدار انرژی منفی ایجادشده زیاد ناچیز است و فقط در فاصله‌ها و شرایطی زیاد محدود به‌وجود می‌آید. نظریه میدان کوانتومی نیز اجازه نمی‌دهد هر مقدار انرژی منفی را برای هر زمان و در هر حجمی ذخیره کنیم.

اکنون هیچ راهی نمی‌شناسیم که بتوان با آن انرژی منفی را در مقدار ملزوم تشکیل، ذخیره و کنترل کرد تا گلوگاهی بزرگ و پایدار برای عبور انسان باز بماند. حتی اگر روزی به این چنین انرژی‌ دست اشکار کنیم، باز هم ساخت کرم‌چاله قطعی نخواهد می بود. انرژی منفی احتمالا بتواند از بسته‌شدن گلوگاه یک کرم‌چاله جلوگیری کند، اما تشکیل خود کرم‌چاله قضیه فرد دیگر است. تا این مدت نمی‌دانیم چطور می‌توان دو ناحیه جدا از فضاـزمان را به یکدیگر متصل کرد و دو دهانه و گلوگاه بین آن‌ها را به وجود آورد.

آیا کرم‌چاله‌ها می‌توانند در طبیعت شکل بگیرند؟

برای سیاه‌چاله‌ها مسیر شکل‌گیری نسبتاً روشنی می‌شناسیم. هنگامی که ستاره‌ای زیاد پرجرم سوخت هسته‌ای خود را همه می‌کند، سختی درونی آن دیگر نمی‌تواند در برابر گرانش مقاومت کند. اگر جرم هسته از حد معینی زیاد تر باشد، فروپاشی ادامه اشکار می‌کند و سیاه‌چاله شکل می‌گیرد. اما درمورد کرم‌چاله‌ها این چنین فرایند طبیعی و تأییدشده‌ای وجود ندارد. تا این مدت نمی‌دانیم طبیعت چطور می‌تواند دو دهانه را به یکدیگر متصل کند، گلوگاهی بین آن‌ها بسازد و این ساختار را برای مدتی طویل باز نگه دارد.

یکی از گمان‌های نقل‌شده به نخستین لحظات بعد از بیگ‌بنگ مربوط می‌شود. جهان آغازین زیاد داغ و چگال می بود و فضاـزمان نیز به گمان زیادً نوسان‌های شدیدی را توانایی می‌کرد. برخی مدل‌های نظری نظر می‌کنند که در این چنین شرایطی احتمالا اتصال‌های زیاد کوچکی در فضاـزمان به‌وجود آمده باشند.

در برخی سناریوها، رشته‌های کیهانی نیز می‌توانند در شکل‌گیری یا پایدار ماندن این چنین ساختارهایی نقش داشته باشند. رشته کیهانی، درصورت وجود، نقصی زیاد باریک و پرانرژی در فضاـزمان است که امکان پذیر زمان گذارهای فازی در جهان آغازین شکل گرفته باشد. این رشته‌ها با ریسمان‌های بنیادی در نظریه ریسمان یکسان نیستند، هرچند برخی مدل‌ها بین آن‌ها ربط برقرار می‌کنند. تا بحال هیچ رشته کیهانی به‌طور قطعی مشاهده نشده است.

مشکل مهم این فرضیه‌ها آن است که تقریباً همه مرحله های آن‌ها به فیزیکی وابسته‌اند که تا این مدت شواهد تجربی محکمی برایش نداریم. یک کرم‌چاله نخستین باید در محیط زیاد خشن جهان آغازین راه اندازی شود، از فروپاشی سریع جان سالم به در ببرد و سپس میلیاردها سال در برابر تابش، ماده و تحول کیهان پایدار بماند. حتی اگر مثالهایی میکروسکوپی از آن دوران باقی مانده باشند، تشخیص آن‌ها با ابزارهای امروزی زیاد دشوار خواهد می بود.

عبور از کرم‌چاله چه شکلی خواهد می بود؟

اگر کرم‌چاله‌ای بزرگ، پایدار و واقعاً قابل‌عبور وجود داشته باشد، نزدیک شدن به آن تفاوت فاحشی با سقوط در یک سیاه‌چاله خواهد داشت. در مسیر شما افق رویدادی وجود ندارد که راه برگشت را ببندد. دهانه کرم‌چاله به گمان زیادً به شکل کره‌ای دیده می‌شود که نور ناحیه مقصد از درون آن عبور می‌کند. درنتیجه، به‌جای حفره‌ای کاملاً تاریک، منظره‌ای خمیده و اعوجاج‌یافته از قسمت فرد دیگر از جهان روی سطح آن دیده خواهد شد. هرچه به دهانه نزدیک‌تر شوید، عکس مقصد قسمت بیشتری از میدان دیدتان را پر می‌کند.

در زمان عبور، تحول منظره به گمان زیادً مدام خواهد می بود. آسمان مقصد کم‌کم روبه‌روی شما گسترده می‌شود و آسمان مبدأ پشت سرتان کوچک‌تر به‌نظر می‌رسد. بعد از خروج نیز اگر به عقب نگاه کنید، امکان پذیر محل اغاز سفر را همانند تصویری درون یک کره شناور ببینید که نتیجه خم شدن مسیر نور در هندسه کرم‌چاله است.

یقیناً این چنین سفری فقط در مدلی زیاد ایده‌آل بی‌خطر خواهد می بود. گلوگاه باید آن‌قدر بزرگ باشد که شدت گرانش در طول بدن یا فضاپیما تفاوت بسیاری نداشته باشد. اگر این اختلاف شدید باشد، نیروهای کشندی یک سمت جسم را زیاد تر از سمت دیگر می‌کشند و می‌توانند آن را کشیده، فشرده یا حتی متلاشی کنند. این همان اثری است که در نزدیکی برخی سیاه‌چاله‌ها با نام اسپاگتی‌شدن شناخته می‌شود.

پایداری تابش و میدان‌های اطراف گلوگاه نیز اهمیت بسیاری دارد. نور و ذراتی که داخل کرم‌چاله خواهد شد امکان پذیر در تاثییر حرکت و میدان گرانشی به طول موج‌های مختصر‌تر و انرژی‌های بالاتر منتقل شوند. این اتفاق انتقال به آبی نام دارد. اگر انرژی تابش درون گلوگاه بیش‌ازحد افزایش یابد یا در آن ناحیه انباشته شود، می‌تواند اعتدال کرم‌چاله را به هم بزند و به فروپاشی آن منجر شود.

خطر فقط درون کرم‌چاله نیست. باز کردن دو دهانه، دو محیط فیزیکی را مستقیماً به یکدیگر متصل می‌کند. اگر سختی، دما، چگالی ماده یا میدان مغناطیسی دو سوی کرم‌چاله متفاوت باشند، گاز، پلاسما و تابش می‌توانند با شدت از یک سمت به سمت دیگر جریان اشکار کنند. به این علت، عبور ایمن از کرم‌چاله وقتی ممکن خواهد می بود که اندازه گلوگاه، نیروهای کشندی، مقدار تابش، پایداری هندسه و شرایط دو سوی دهانه همه انها با دقت کنترل شوند؛ شرایطی که تا این مدت نمی‌دانیم طبیعت اصلاً امکان فراهم شدن آن‌ها را می‌دهد یا نه.

هنگامی کرم‌چاله به ماشین زمان تبدیل می‌شود

اگر دو دهانه یک کرم‌چاله ابتدا کنار هم و هم‌زمان باشند، می‌توان با منفعت گیری از اتساع زمان بین آن‌ها اختلاف تشکیل کرد. کافی است یکی از دهانه‌ها با سرعتی نزدیک نور سفر کند یا مدتی در میدان گرانشی زیاد قوی قرار بگیرد. در هر دو حالت، زمان برای آن دهانه آهسته‌تر می‌گذرد. هنگامی مجدد دو دهانه کنار هم قرار بگیرند، امکان پذیر از نظر مکانی نزدیک باشند، اما ساعت‌هایشان زمان یکسانی را نشان ندهد.

اگر اختلاف وقتی بین دو دهانه نگه داری شود، ورود از یک دهانه می‌تواند مسافر را از دهانه دیگر در وقتی سریعتر از زمان ورودش بیرون بیاورد. برای خود مسافر، زمان کاملاً عادی می‌گذرد؛ ساعتش جلو می‌رود و هیچ اتفاقی برعکس نمی‌شود. چیزی که او را به قبل می‌رساند، مسیر غیرعادی فضاـزمان درون کرم‌چاله است. اگر مسافر بعد از خروج بتواند از راه معمول به محل اغاز سفر برگردد، مسیری بسته در زمان شکل می‌گیرد؛ مسیری که او را مجدد به نقطه‌ای از قبل خودش می‌رساند.

این ماشین زمان محدودیت مهمی دارد: طبق معمولً نمی‌توان با آن به وقتی پیش از تشکیل اختلاف بین دو دهانه رفت. اگرچه، حتی برگشت چند دقیقه‌ای هم برای به‌هم‌زدن رابطه علت و معلول کافی است. اینجاست که پارادوکس‌ها اغاز خواهد شد. در پارادوکس پدربزرگ، مسافر کاری می‌کند که تولد خودش ناممکن شود. در پارادوکس بوت‌استرپ نیز اطلاعات یا شیئی در حلقه‌ای وقتی می‌چرخد، بی‌آنکه منشأ مشخصی داشته باشد.

چند جواب نظری برای حل این تناقض‌ها نظر شده‌اند. اصل خودسازگاری نوویکوف می‌گوید هر اتفاقی در قبل رخ دهد، باید از ابتدا با تاریخ سازگار باشد. در دیدگاهی دیگر، مسافر احتمالا داخل شاخه‌ای متفاوت از حقیقت شود و قبل خودش را تحول ندهد. اما هیچ شاهدی نداریم که کرم‌چاله‌ها واقعاً این چنین کاری انجام بدهند.

استیون هاوکینگ گمان فرد دیگر را نقل کرد: احتمالا طبیعت اصلاً اجازه ندهد ماشین زمان شکل بگیرد. مطابق «گمان حفاظت از ترتیب وقتی»، اثرهای کوانتومی امکان پذیر درست پیش از بسته‌شدن یک حلقه وقتی، انرژی و تابش را آن‌قدر افزایش دهند که گلوگاه فروبپاشد. این ایده تا این مدت اثبات نشده است، اما تعداد بسیاری از مدل‌ها نشان خواهند داد که کرم‌چاله‌ها با نزدیک‌تر شدن به نقض علیت، ناپایدارتر خواهد شد. احتمالا جهان اجازه دهد فضا خم شود، اما نه آن‌قدر که معلول پیش از علت اتفاق بیفتد.

آیا امکان پذیر چیزی که به‌گفتن سیاه‌چاله می‌شناسیم، در واقع کرم‌چاله باشد؟

از فاصله دور، سیاه‌چاله و برخی مدل‌های نظری کرم‌چاله می‌توانند زیاد همانند یکدیگر دیده شوند. حرکت بیرونی هر دو تا حد بسیاری به جرم، چرخش و میدان گرانشی آن‌ها بستگی دارد. هر دو می‌توانند مسیر نور را به‌شدت خم کنند، ماده اطراف خود را در قالب قرص برافزایشی داغ به گردش درآورند و در عکس، ناحیه‌ای تاریک با حلقه‌ای روشن در اطراف آن تشکیل کنند. به این علت، ظاهر یک جرم فشرده به‌تنهایی برای تشخیص ماهیت واقعی آن کافی نیست.

تفاوت مهم به افق اتفاقات مربوط می‌شود. سیاه‌چاله مرزی دارد که بعد از عبور از آن، هیچ ماده یا نوری نمی‌تواند به بیرون بازگردد. اما یک کرم‌چاله قابل‌عبور نباید این چنین افقی داشته باشد، چون نور و ماده باید بتوانند از گلوگاه عبور کنند و به دهانه دیگر برسند. اگر چیزی از نظر دیگر کرم‌چاله داخل شود یا ماده‌ای بعد از عبور از دهانه دوم بیرون بیاید، امکان پذیر اثرهایی تشکیل کند که در اطراف یک سیاه‌چاله معمولی انتظار نداریم.

یکی از راه‌های احتمالی شناسایی این تفاوت، بازدید عدسی گرانشی است. کرم‌چاله می‌تواند نور اجرام بعد‌عرصه را به شکلی متفاوت خم و الگوهای خاصی از تصاویر چندگانه، حلقه‌های نوری یا تغییرات روشنایی تشکیل کند. حرکت ستاره‌ها و گاز اطراف دهانه نیز امکان پذیر تحت‌تأثیر ماده یا میدان گرانشی حاضر در نظر دیگر اتصال قرار بگیرد. بااین‌حال، تعداد بسیاری از این نشانه‌ها می‌توانند به دلایل معمول‌تری همانند توزیع پیچیده ماده، میدان مغناطیسی یا ساختار قرص برافزایشی نیز به وجود آیند.

امواج گرانشی راه فرد دیگر برای جست‌وجو می باشند. بعد از برخورد دو جرم فشرده، جسم نهایی برای مدتی می‌لرزد و امواجی تشکیل می‌کند که به مرحله زنگش معروف است. اگر این جسم افق اتفاقات واقعی نداشته باشد، امکان پذیر بخشی از موج در نزدیکی سطح یا گلوگاه بازتاب شود و مقداری دیرتر به آشکارساز برسد. این چنین سیگنال‌هایی بعضی اوقات پژواک امواج گرانشی نامیده خواهد شد. اما مشاهده احتمالی یک پژواک، به‌تنهایی اثبات‌کننده کرم‌چاله نیست؛ نویز آشکارساز و مدل‌های دیگر اجرام فشرده نیز می‌توانند اثرهایی شبیه تشکیل کنند.

تا امروز هیچ رصد قابل‌قبولی نشان نداده است که یکی از سیاه‌چاله‌های شناخته‌شده، کرم‌چاله باشد. برای پذیرفتن این چنین نتیجه‌ای باید نشانه‌ای اشکار شود که نه‌تنها با مدل کرم‌چاله سازگار باشد، بلکه نتوان آن را با سیاه‌چاله، محیط اطراف آن یا دیگر اجرام فشرده گفت. فعلاً کرم‌چاله یکی از احتمالات نظری است، اما سیاه‌چاله توضیحی است که با شواهد رصدی زیاد بیشتری سازگاری دارد.

کرم‌چاله‌ها در مرز نسبیت و فیزیک کوانتوم

در دهه‌های تازه، کرم‌چاله‌ها دیگر فقط به‌گفتن بین‌بری فرضی برای سفر در کیهان بازدید نمی‌شوند. فیزیکدانان از آن‌ها به‌گفتن ابزاری نظری برای مطالعه یکی از بزرگ‌ترین مسائل فیزیک منفعت گیری می‌کنند: چطور می‌توان نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی ترکیب کرد؟

یکی از ایده‌های مهم در این مسیر، ربط احتمالی بین هندسه فضاـزمان و درهم‌تنیدگی کوانتومی است. درهم‌تنیدگی حالتی است که در آن ویژگی‌های دو سامانه کوانتومی به شکلی عمیق به یکدیگر وابسته خواهد شد، حتی اگر فاصله بسیاری بین آن‌ها باشد. با اندازه‌گیری یکی از این سامانه‌ها می‌توان درمورد فرد دیگر اطلاعات به‌دست آورد، اما این ربط امکان ارسال آنی مطلب یا عبور اطلاعات با شدت زیاد تر از نور را فراهم نمی‌کند.

نظر مشهور ER=EPR می‌گوید احتمالا پل‌های اینشتین–روزن و سامانه‌های درهم‌تنیده، دو عکس متفاوت از یک ربط بنیادی‌تر باشند. قسمت ER به پل اینشتین–روزن و قسمت EPR به درهم‌تنیدگی کوانتومی اشاره دارد. منظور این نیست که بین هر دو ذره درهم‌تنیده، تونلی واقعی و قابل‌عبور وجود دارد. این ایده زیاد تر تلاشی برای توضیح این گمان است که پیوندهای کوانتومی بتوانند در شکل‌گیری هندسه فضاـزمان نقش داشته باشند.

قدم مهم فرد دیگر با مدل گائو، جفریس و وال برداشته شد. آن‌ها نشان دادند که در نوع خاصی از فضاـزمان، می‌توان با تشکیل یک برهم‌کنش کوانتومی کنترل‌شده، پلی را که در حالت عادی قابل‌عبور نیست، برای زمان کوتاهی عبورپذیر کرد. این برهم‌کنش اثری همانند انرژی منفی در گلوگاه تشکیل می‌کند و اجازه می‌دهد مقدار محدودی اطلاعات از پل عبور کند.

اما، این مدل را نباید نقشه‌ای عملی برای ساخت کرم‌چاله دانست. محاسبات آن در نوعی فضاـزمان فرضی به‌نام ضد دوسیتر انجام شده است؛ فضایی با انحنای منفی و مرزی اشکار در دوردست که از نظر ساختار با جهان در حال انبساط ما تفاوت دارد. در این شرایط اختصاصی، می‌توان با یک برهم‌کنش کوانتومی کنترل‌شده، پل را برای زمان کوتاهی باز کرد و مقدار محدودی اطلاعات از آن عبور داد. این نتیجه از نظر نظری مهم است، اما به معنی امکان ساخت دروازه‌ای فضایی، انتقال انسان یا سفر سریع به کهکشان‌های دور نیست.

مدل‌های فرد دیگر نیز برای کرم‌چاله‌های چهاربعدی و حتی کرم‌چاله‌هایی با نیروهای کشندی قابل‌تحمل برای انسان نظر شده‌اند. اما این مطرح‌ها طبق معمولً به شرایط زیاد اختصاصی‌ای همانند میدان‌های کوانتومی خاص، سیاه‌چاله‌هایی با بار الکتریکی زیاد زیاد، ابعاد اضافی یا ذراتی که تا این مدت کشف نشده‌اند، نیاز دارند. اشکار کردن یک جواب سازگار در معادلات اهمیت نظری دارد، ولی ثابت نمی‌کند که مواد و شرایط ملزوم برای راه اندازی آن در طبیعت وجود دارند.

در سال‌های تازه، برخی آزمایش‌ها روی کامپیوترهای کوانتومی نیز با گفتن همانند‌سازی کرم‌چاله معارفه شده‌اند. در این آزمایش‌ها هیچ تونلی در فضا ساخته نمی‌شود. پردازنده کوانتومی فقط حرکت یک مدل ریاضی را بازسازی می‌کند که از نظر ساختار اطلاعاتی شباهت‌هایی با یک کرم‌چاله قابل‌عبور دارد. آنچه در این سامانه منتقل می‌شود اطلاعات کوانتومی بین اجزای پردازنده است.

اهمیت این پژوهش‌ها در ساخت سریع یک دروازه فضایی نیست. کرم‌چاله‌ها به فیزیکدانان پشتیبانی می‌کنند رابطه بین گرانش، اطلاعات، درهم‌تنیدگی و هندسه فضاـزمان را دقیق‌تر بازدید کنند. احتمالا نتیجه نهایی این پژوهش‌ها نشان دهند که کرم‌چاله‌های واقعی هیچ زمان قابل ساخت نیستند، اما همین مدل‌ها می‌توانند سرنخ‌هایی مهم درمورد ماهیت گرانش کوانتومی و ساختار بنیادی جهان در اختیار ما قرار دهند.

اکنون هیچ مدرک رصدی برای وجود کرم‌چاله‌ها نداریم و هیچ روش شناخته‌شده‌ای نیز برای ساخت آن‌ها وجود ندارد. بااین‌حال، کرم‌چاله‌ها فقط خیال‌پردازی علمی نیستند؛ آن‌ها جواب‌هایی جدی در برخی مدل‌های نسبیت می باشند و به فیزیکدانان امکان خواهند داد دشوارترین سوال‌های مربوط به فضاـزمان، اطلاعات و گرانش کوانتومی را بازدید کنند. احتمالا روزی مثالای از آن‌ها اشکار شود و احتمالا هم قوانین طبیعت نشان دهند که این چنین گذرگاه‌هایی هیچ زمان نمی توانند پایدار بمانند. در هر دو صورت، مطالعه کرم‌چاله‌ها چیزهای مهمی درمورد ساختار جهان به ما خواهد آموخت.