در جست و جوي جهاني نو (2)

گام سوم:
 

فرستادن کاوشگرهايي به درون يک سياه چاله
 

برتري هاي بسياري در استفاده از يک سياه چاله به عنوان يک کرم چاله گذرنده، وجود دارد. فيزيکدانان پي برده اند که سياه چاله در جهان به فراواني يافت مي شوند؛ يک تمدن پيشرفته آنگاه مي تواند به سياه چاله ها به عنوان دريچه اي به جهان هاي ديگر بينديشد که بتواند از پس دشواري هاي فني بي شماري بر آيد. همچنين با گذشتن از يک سياه چاله، ديگر تنگناي اينکه نمي توان به زمان پيش از ساختن يک دستگاه زمان گذر يا ماشين زمان بازگشت، وجود نخواهد داشت. کرم چاله مرکز يک سياه چاله کر، ممکن است ما را به جهان هاي سراسر ديگرگون از جهان خودمان و يا نقطه اي ديگري از همين جهان رهنمون سازد. تنها راه آشکارسازي اين موضوع، آزمايش با کاوشگرها است و به کارگيري يک ابررايانه براي رايانش و برآورد پراکندگي جرم هاي کيهان ما و ديگر جهان ها و نيز محاسبه تصحيح هاي کوانتومي معادله هاي اينشتين در گذر از يک کرم چاله.
هم اکنون، بيشتر فيزيک دانان بر اين باورند که گذر از ميان يک سياه چاله، کشنده خواهد بود. هر چند درک فيزيک سياه چاله، هنوز در آغاز راه است و گمانه زني هاي که گفته شد، تاکنون در بوته آزمايش قرار نگرفته است. فرض کنيد که سفر از ميان يک سياه چاله، به ويژه يک سياه چاله کر، شدني باشد، آنگاه هر تمدن پيشرفته اي بايد خواهان کاوش و وارسي درون يک سياه چاله باشد.
از آن جايي که سفر از ميان يک سياه چاله، شايد سفري يک سره باشد، و باز از آن رو که خطرهاي فراواني در نزديکي يک سياه چاله وجود دارد، گمان مي رود يک تمدن پيشرفته، يک سياه چاله را در نزديکي يک ناحيه پر ستاره، مکان يابي کرده و نخست به ميان آن کاوشگري بفرستد. کاوشگر تا هنگامي که از کران افق رويداد بگذرد و تمامي ارتباط آن از دست برود، مي تواند اطلاعات گرانبهايي بفرستد. و گمان مي رود که گذر از افق رويداد، به دليل وجود فراوان ميدان هاي فراگير پرتوزايي، بسيار مرگبار باشد. پرتوهاي نوري که به دام يک سياه چاله مي افتند، انتقال به آبي پيدا مي کنند و در نتيجه، همچنان که به مرکز آن نزديک مي شوند، انرژي به دست مي آورند. يک کاوشگر که از نزديکي افق رويداد بگذرد، بايد با پوششي از رگبار بسيار سخت پرتوها محافظت شود. و شايد همين باعث شود که خود سياه چاله ناپايدار شود، و افق رويداد به تکينگي دگرگون شود، و در نتيجه گذرگاه کرم چاله بسته شود. کاوشگر مي تواند اندازه پرتوزايي را در نزديکي افق رويداد به دقت تعيين کند و اينکه با وجود اين تراوش انرژي، آيا کرم چاله مي تواند پايدار باقي بماند يا نه؟
اطلاعات بايد از پيش از آن که کاوشگر از کران افق رويداد بگذرد، به کيهان نوردي که در همان نزديکي است فرستاده شود، ولي هنوز مشکل ديگري باقي خواهد ماند. از ديد آن کيهان نورد، هر چه کاوشگر به افق رويداد نزديکتر شود، زمان براي آن کندتر خواهد شد. آنگاه که از کران افق رويداد گذر کند، در واقع کاوشگر در زمان منجمد خواهد شد. براي پرهيز از اين مشکل، کاوشگر بايد اطلاعات خود را در فاصله اي مناسب از افق رويداد بفرستد، و گر نه اطلاعات نيز دچار چنان انتقال به سرخي خواهد شد که ديگر بازشناختي نخواهد بود.

انتقال به سرخ و انتقال به آبي چيست؟
 

يک خودروي پليس را در حال آژير کشيدن در نظر بگيريد. صداي آژير، هنگامي که خودرو به شما نزديک مي شود با هنگامي که از شما دور مي شود، ديگرگون است. اين اثر دوپلر است و به اختلاف ظاهري بين بسامدهاي موج گفته مي شود که از منبع نور، صدا و يا امواج راديويي، رها شده و به مشاهده گر مي رسد. فيزيکدان اتريشي، سي.جي. دوپلر اين اثر را براي نخستين بار توضيح داد.
در سال 1929، ادوين هابل، گزارش داد که کهکشان ها در حال دور شدن از هم هستند. او از اندازه گيري جابه جايي گستره تابش اجرام کيهاني به اين امر پي برد. اگر پرتو نور کهکشان به سمت طول موج بلندتر انتقال يابد، انتقال به سرخ ناميده مي شود و به معناي دور شدن کهکشان از ما و اگر پرتو نور کهکشان به سمت طول موج کوتاه تر انتقال يابد، انتقال به آبي است و به معناي نزديک شدن کهکشان به ما است. نور گسيل شده از هر جسم که از مشاهده کننده اش در حال دور شدن باشد به قرمز دگرگون مي شود. رنگ قرمز بلندترين طول موج را در گستره تابش نور ديدني دارد. اين پديده هنگامي رخ مي دهد که منبع توليد نور در حال دور شدن از بيننده باشد.

گام چهارم:
 

ساختن يک سياه چاله با روند آهسته
 

هنگامي که ويژگي هاي نزديک به افق رويداد يک سياه چاله با کمک کاوشگر به دقت مشخص شد، گام بعدي و براي آزمايش، مي تواند بازسازي يک سياه چاله با روند آهسته باشد. يک تمدن رده سه، شايد تلاش کند تا نتايج نوشتار اينشتين را بيازمايد پيرامون اينکه سياه چاله هرگز از توده هاي غبار يا خرده ريزه هاي چرخان کيهاني ساخته نمي شود. اينشتين تلاش کرد نشان دهد که مجموعه اي از خرده ريزه هاي چرخنده، خود به خود به شعاع شوارتزشيلد دست نخواهند يافت و اين گونه امکان ساخته شدن سياه چاله وجود ندارد.
توده هاي چرخنده، خود به خود درهم کشيده نشده و به سياه چاله دگرگون نمي شوند. ولي شايد بتوان اين امکان را آزمود که با افزودن آهسته ماده و انرژي بيشتر به يک سامانه توده چرخان، رفته رفته آن توده را به سوي شعاع شوارتزشيلد راند. از اين راه، آن تمدن خواهد توانست ريخت گيري و ساخت يک سياه چاله را با روشي مهارشده، اداره کند.
براي نمونه، يک تمدن رده سه را در نظر بگيريد که تعدادي ستاره نوتروني در اختيار دارد که اندازه آن کما بيش به اندازه شهر کرج است، اما وزنشان بيش از وزن خورشيد ما، و مجموعه اي چرخنده از اين ستارگان مرده به وجود آورده اند. رفته رفته گرانش، اين ستارگان را به هم نزديک خواهد کرد. اما آن گونه که اينشتين نشان داد هرگز به شعاع شوارتزشيلد نخواهند رسيد. در اين هنگام، دانشمندان آن تمدن پيشرفته، دست به کار شده و با دقت، ستارگان نوتروني بيشتري را به آن مجموعه مي افزايند. اين بايد براي به هم ريختن تعادل و ترازش آنها بسنده باشد و وادارشان کند تا به شعاع شوارتزشيلد فرو ريزد. بنابراين آن مجموعه چرخنده ستارگان، چون حلقه اي چرخان مي رمبد و يک سياه چاله کر مي سازد. با مهار کردن تندي چرخش و اندازه هاي ستارگان نوتروني، آن تمدن خواهد توانست به دلخواه خود و با هر تندي چرخشي که بخواهد، يک سياه چاله کر بسازد.
يا، شايد يک تمدن پيشرفته تلاش کند تا چندين ستاره نوتروني کوچک را سر هم کرده و از آنها، يک توده ايستا و به اندازه سه برابر توده خورشيد بسازد که کمابيش کران پاياني اندازه يک ستاره نوتروني يا حد چاندرا است. فراتر از آن، ستاره با گرانش توده خود، مي رمبد و به سياه چاله دگرگون مي شود. آنها بايد دقت از به وجود آمدن يک ابرنواختر بپرهيزند. فشرده سازي ماده براي ساخت يک سياه چاله، بايد اندک اندک و با دقت انجام شود.
بدون ترديد، گذشتن از افق رويداد، سفري يک سره خواهد بود. ولي براي يک تمدن پيشرفته که با نابودي بي چون و چرا روبه روست، شايد اين سفر يک سره، تنها راه چاره باشد. باز هم مشکل پرتوزايي کشنده گذر از افق رويداد پابرجاست.
سرانجام، هنوز مشکل پابرجاست: آيا کرم چاله مرکز يک سياه چاله کر به اندازه کافي پايدار خواهد ماند تا بتوان به تمامي از آن گذر کرد؟ از آنجا که بايد از نظريه کوانتومي گرانش براي محاسبه درست اين پرسمان سود جست، پس رياضيات اين پرسش به هيچ روي مشخص نيست. شايد آشکار شود که سياه چاله کرد در شرايط بسيار محدودي از فروريزي ماده در کرم چاله، پايدار مي ماند. اين ادعا بايد بر پايه رياضيات گرانش کوانتومي و آزمايش هايي در خود سياه چاله، با دقت بررسي شود.
کوتاه سخن آنکه، گذر از يک سياه چاله، بي ترديد سفري بسيار خطرناک و مشکل خواهد بود. اما تا هنگامي که آزمايش هاي گسترده و محاسبه هاي شايسته و درستي بر پايه تصحيحات کوانتومي بر روي آن انجام نشود، از ديدگاه نظري نمي توان چنين سفري را ناممکن دانست.

حد چاندرا يعني چه؟
 

پس از آنکه ستاره اي سوختنش را به پايان رساند، نخست متورم شده و به غول سرخ دگرگون مي گردد. آنگاه اگر جرم باقي مانده آن از 4 /1 برابر جرم خورشيد بيشتر باشد به درون فرو مي ريزد و پس از انفجار ابرنواختري، به يک ستاره نوتروني دگرگون مي گردد. اين را حد چاندرا مي گويند. سوبراهمانيان چاندرا، اختر فيزيکدان هندي- آمريکايي در سال 1983 به همراه اختر فيزيکدان "ويليام فاولر"، برنده جايزه نوبل فيزيک شد.

ستاره نوتروني چيست؟
 

از شگفتي هاي باورنکردني کيهان، ستاره نوتروني يا تپ اختر است. در فشار و دماي بسيار زياد هسته ستاره، پروتون و الکترون با هم آميخته شده و نوترون به وجود مي آورند. ستاره نوتروني نامش را از همين جا يافته است. ستاره نوتروني بي اندازه کوچک است. قطر آن تنها چند ده کيلومتر است. ستاره نوتروني چگالي شگفت آوري دارد. باور کردنش سخت است، اما هر سانتي متر مکعب از آن، وزني برابر يک ميليارد تن دارد. براي جلوگيري از رمبش ستاره، نوترون ها مانند گاز رفتار کرده و فشاري را ايجاد مي کنند که براي برپا نگه داشتن آن کافي است. اما اگر نوترون ها نتوانند فشار هنگفت رو به درون را ناکار کنند، ممکن است هسته ستاره در اثر گرانش دچار رمبش شود و به سياه چاله دگرگون گردد. ستاره نوتروني با سرعت بسيار شگفت آور هزار دور در هر ثانيه به دور خود مي چرخد. اين سرعت زياد ميدان مغناطيسي زمين است. نيروي مغناطيسي نيرومند ستاره که با گردش بسيار تند آن در هم مي آميزد، پرتوهايي را گسيل مي دارد که به صورت تپش هايي در زمين دريافت مي شود، از اين روست که ستاره هاي نوتروني به تپ اختر هم معروف هستند. نخستين تپ اختر در سال 1967 توسط ستاره شناسان دانشگاه کمبريج کشف و بازه ميان تپش هاي اين ستاره 3 /1 ثانيه ثبت شده است. تا به امروز بيش از 650 تپ اختر کشف شده است.

گام پنجم:
 

ساختن يک جهان نوزاد
 

تا اينجا فرض بر اين بود که گذر از ميان يک سياه چاله شايد ممکن باشد. اکنون اجازه دهيد فرض را دگرگون کنيم و فرض تازه بر اين پايه قرار يابد که يک سياه چاله، چنان ناپايدار و چنان سرشار از پرتوهاي مرگبار است که گذشتن از آن ناممکن باشد. در اين صورت بايد راه دشوارتري را آزمود: ساختن يک جهان نوزاد. شايد راه کار تمدني پيشرفته، ساختن يک دريچه گريز به دنيايي ديگر باشد که اين انگاره براي "آلن گوت"فيزيکدان، بسيار فريبنده بود. زيرا فرضيه تورم به سختي با ساختن يک فضاي تهي ساختگي يا (خلاء ساختگي) گره خورده است و گوث، شگفت از اين انديشه که شايد تمدني پيشرفته، بتواند در آزمايشگاه، يک فضاي تهي ساختگي بيافريند و در پي آن جهاني نوزاد.
در آغاز، انديشه ساختن يک جهان، خنده دار و نابخردانه به نظر مي آيد. اما سرانجام گوث نشان داد که براي ساختن جهان ما، به 10به توان 89 فوتون، 10به توان89 الکترون، 10به توان89 پوزيترون، 10به توان89 نوترينو، 10به توان89پادنوترينو، 10به توان 89 پروتون و 10به توان89 نوترون نياز است. در حالي که اين کار بسيار ناشدني مي نمايد، گوث نشان داد گر چه حجم ماده- انرژي جهان، بسيار بسيار زياد است، ولي با گرانش انرژي منفي، ترازمند مي شود. در نتيجه شايد اندازه خالص ماده انرژي مورد نياز از چند گرم هم کمتر باشد. گوث هشدار گونه گفته: "آيا اين بدان معني است که قوانين فيزيک به راستي ما را به ساختن يک جهان تازه توانا مي سازد؟ اگر هر تلاشي در اين راه انجام دهيم، شوربختانه بي درنگ به مانعي سخت برخورد خواهيم کرد: کره اي از فضاي تهي ساختگي به ابعاد 10به توان26- سانتي متر، جرمي به اندازه تنها 28 گرم دارد، آنگاه محاسبه مي شود که چگالي آن، عدد شگفت انگيز 10به توان80 گرم ( يا 100 ميليارد ميليارد ميليارد ميليارد ميليارد ميليارد ميليارد ميليارد تن) بر هر سانتي متر مکعب خواهد بود! اگر تمامي جرم دنياي قابل ديدن ما را در يک چگالي فضاي تهي ساختگي فشرده کنيم، آنگاه از اندازه يک اتم هم کوچک تر خواهد شد! "فضاي تهي ساختگي، يک ناحيه بسيار کوچک از فضا-زمان است، جايي که يک ناپايداري رخ داده و شکافي در فضا- زمان به وجود آمده است. شايد تنها چند ده گرم ماده در يک فضاي تهي ساختگي براي ساختن جهاني نوزاد بسنده باشد، اما همين مقدار اندک، بايد تا اندازه هاي نجومي، بسيار بسيار فشرده شود.
با روشي ديگر نيز ممکن است بتوان جهاني نوزاد ساخت. مي توان دماي بخش کوچکي از فضا را تا 10به توان 29 درجه کلوين رساند و آن گاه به تندي دما را کاهش داد. (براي درک بزرگي اين دما کافي است بدانيد دماي مرکز خورشيد 16 ميليون درجه يا 10 به توان 7 ×1/6 درجه است. 10به توان 29 يعني 100ميليارد ميليارد ميليارد درجه و يا ده هزار ميليارد برابر دماي مرکز خورشيد) گمان بر اين است که اين روند افزايشي و کاهنده دما، فضا- زمان را ناپايدار کند و جهان هايي خرد و حباب گونه، ريخت گرفتن آغاز کرد و يک فضاي تهي ساختگي، شايد که به وجود آيد. اين جهان هاي خرد، که بنابر نظريه جهان هاي موازي، هميشه ريخت مي گيرند، نا پايدار و ناماندگار هستند، اما شايد در آن فرو ريزش دمايي، به جهاني واقعي دگرگون شوند. اين پديده در يک ميدان الکتريکي پيش پا افتاده، هم اکنون نيز شناخته شده است؛ براي نمونه اگر بتوان يک ميدان الکتريکي به اندازه کافي بزرگ ساخت، آنگاه مي توان زوج مجازي الکترون- پادالکترون که همواره و به اندازه زياد در فضاي تهي يا خلأ به وجود آمده و نابود مي شود را با کمک ميدان الکتريکي، ناگهان واقعي کرد و به آنها اجازه داد تا به هستي جست بزنند. بنابراين، گردآوري انرژي در يک نقطه از فضاي تهي مي تواند ذره هاي مجازي را به ريخت واقعي دگرگون کند. همسان اين، اگر انرژي کافي در يک نقطه گرد آوريم، از ديدگاه نظري امکان ريخت گرفتن جهان هاي نوزاد واقعي از ريخت مجازي آنها وجود دارد که از هيچ، پديدار مي شود.
فرض کنيد که امکان دست يافتن بر چنان چگالي شگرف و يا آن دماي باورنکردني را داشته باشيم، ريخت يافتن جهاني نوزاد، شايد اين گونه باشد، در جهان ما، پرتوهاي قدرتمند ليزر را مي توان براي فشرده سازي و گرما دادن در اندازه هاي شگفت انگيز استفاده کرد که نياز به مقدار بسيار اندکي ماده دارد. همچنان که ريخت گيري جهاني نوزاد آغاز مي شود، از آن جايي که در " سوي ديگر" تکنيکي گسترش مي يابد و نه در جهان ما، هرگز امکان ديدن آن وجود ندارد. اين جهان نوزاد جايگزين که از جهان ما جوانه زده است، توانش آن را دارد که با کمک پادگرانش خود در فرافضا متورم شود. بر اين برهان، هرگز نمي توان ريخت گيري يک جهان نوزاد را در سوي ديگر تکنيکي مشاهده کرد. اما به کمک يک کرم چاله شدني است، که چون بند ناف، مي توان پيوندي با آن جهان نوزاد به وجود آورد.
به هر روي، در فرايند ساختن چنين جهاني در يک کوره، خطرهاي بسيار زيادي وجود دارد. بند نافي که جهان ما را به جهان نوزاد پيوند مي دهد، سرانجام بخار خواهد شد و يک انفجار هسته اي 500 کيلو تني، کما بيش 25 برابر انرژي بمب هيروشيما توليد خواهد کرد. و اين هزينه اي است که بايد براي ساخت يک جهان نوزاد در کوره پرداخته شود.
و مشکل پاياني در راه کار ساخت جهان نوزاد، پيرامون فضاي تهي ساختگي دور مي زند که به سادگي مي تواند جهان تازه ساز را به سوي دگرگوني به يک سياه چاله براند که سراسر مرگبار خواهد بود. و چرايي آن در قضيه پنروز(1) بيان شده است که مي گويد در بازه گسترده اي از راه کارهاي در نظر گرفته شده، هر توده به اندازه کافي بزرگي از ماده بسيار متراکم، به ناچار مي رمبد و به سياه چاله دگرگون مي شود. از آن جايي که معادله هاي اينشتين در زمان منفي هم کارايي دارد و به بيان ديگر مي توان در زمان، پس و پيش رفت، به اين معني است که هر ماده اي از جهان نوزاد که به بيرون از آن، يعني جهان سازندگان، فرو ريزد، ممکن است با برگشت در زمان، به يک سياه چاله دگرگون شود. بدين گونه، براي پرهيز از قضيه پنروز، بايد در ساخت جهان نوزاد، با دقت بسيار رفتار کرد.
قضيه پنروز بر اين گمان استوار است که ماده در حال فروريزي به درون، داراي انرژي مثبت خواهد بود، که در جهان آشناي پيرامون ما اين گونه است. هر چند اين قضيه با در اختيار داشتن انرژي و يا ماده منفي درهم شکسته خواهد شد. به هر روي، در راه کار تورمي براي ساخت جهان نوزاد، همچون کرم چاله گذرپذير، نياز به در اختيار داشتن انرژي منفي است.

ذرات بنيادي اي که براي ساختن يک جهان نياز است، کدامند؟
 

الکترون (electron): از ذرات بنيادي اتم و داراي بار منفي. الکترون تنها 1 /0 درصد از جرم اتم را تشکيل مي دهد. در شرايط طبيعي، به دور هسته مي چرخد و هر چه مدار آن به هسته نزديک تر باشد، آن را محکم تر در بردارد. نخستين بار فيزيکدان انگليسي جوزف تامسون، در سال 1897به وجود الکترون پي برد.
پروتون (Proton): از ذرات بنيادي اتم و داراي بار مثبت. جرم آن 1836بار از الکترون بيشتر است. پروتون و نوترون با هم کشف شدند. تعداد پروتون هاي هر عنصر را عدد اتمي گويند. براي نمونه، هيدرون داراي يک پروتون است و در نتيجه عدد اتمي آن هم يک است.
نوترون (Neutron): نوترون از ذرات سازنده هسته تمامي عنصرها است به جز اتم هيدروژن. در سال 1932 توسط فيزيکدان انگليسي جيمز چادويک کشف شد. نوترون داراي بار الکتريکي نيست و 1840 بار از الکترون سنگين تر است. اين ذره به جز در پرتوهاي کيهاني، به آساني يافت نمي شود.
پوزيترون (Positron): پوزيترون، پاد ذره الکترون است. ذره اي بنيادي است هم وزن الکترون ولي با بار الکتريکي مثبت. اين ذره را پل ديراک، فيزيکدان نظري و رياضيدان انگليسي در سال 1928 کشف کرد.
نوترينو (Neutrino): يکي ديگر از ذرات بنيادي است، بدون بار الکتريکي و با جرم بسيار اندک.
پادنوترينو (Antineutrino): ذره اي بنيادي و پاد ذره نوترينو.
فوتون (Photon): مکس پلانک، برنده جايزه نوبل، فيزيکدان آلماني و پدر فيزيک کوانتوم، در سال 1900 پي برد که تابش گرمايي در بسته هايي جداگانه تابيده مي شود. در سال 1905، آلبرت اينشتين، فيزيکدان بلند آوازه آلماني و برنده جايزه نوبل، اثر فتوالکتريک را پيشنهاد کرد و بيان داشت که وجود اين بسته هاي گسسته انرژي، به نور بستگي دارد و در سال 1926، اين بسته هاي انرژي را فوتون نام نهادند. بازه انرژي فوتون ها از پرتوهاي پر انرژي گاما و ايکس تا پرتوهاي کم انرژي فرو سرخ و راديويي است، ولي در تمامي آنها با سرعت نور حرکت مي کنند. فوتون داراي بار الکتريکي نيست.
به جز فوتون، باقي ذرات، درون اتم وجود دارند. نخست الکترون و هسته اتم کشف شد، آنگاه نوترون و پروتون. پس از سال 1970، دانشمندان پي بردند که اين ذرات، خود نيز از چندين ذره بنيادي تر ساخته شده اند. در رده نخست کوارک و در رده دوم لپتون و رده سوم بوزون. در واقع اين ها زير ساخت بنيادين ماده هستند. تا امروز بيش از 200 ذره بنيادين درون اتمي کشف شده است. همچنين در برابر تمام اين ذرات، پاد ذره آن نيز وجود دارد.

پي‌نوشت‌ها:
 

1.Penrose,s theorem
 

منبع:نشريه دانشمند، شماره 580.