سياه چاله کليد سفر در زمان
نويسنده: محمدحسن شجاعي
آيا همان گونه که در فيلم هاي علمي- تخيلي، بسيار مي بينيم که افرادي در زمان سفر مي کنند و به گذشته يا آينده مي روند، اين کار امکان پذير است؟
نگاهي به مباحث نظري سفر در زمان مي اندازيم. اول از همه، بايد در نظر داشته باشيم که زمان، مانند فضا يک «بعد» است. براي رخ دادن يک پديده، زمان را هم بايد در نظر بگيريم. براي مثال، هنگامي که با کسي قرار ملاقات داريد، علاوه بر سه بعد فضايي، زمان را هم تعيين مي کنيد. اگر به اين «بعد» توجه نداشته باشيد. ممکن است ملاقات شما هرگز صورت نگيرد!
درک سه بعد فضا کار مشکلي نيست، اما چطور زمان هم يک «بعد» به حساب مي آيد؟ فرض کنيد از حرکت مورچه بر صفحه کاغذ فيلم برداري کرده ايد. در اينجا فضايي که مورچه امکان حرکت در آن را دارد، فقط دو بعد دارد. حالا قطعات فيلم را ببريد و روي هم قرار دهيد. شما با اين کار يک مختصات فضا-زماني را شبيه سازي کرده ايد که دو بعد آن فضا(XوY) و يک بعد آن زمان (t) است.
البته نمي توانيم فضا-زمان چهار بعدي را که سه بعد فضايي و يک بعد زماني دارد، روي کاغذ ترسيم کنيم. حتي تصور آن هم مشکل است. نکته ديگر، خم کردن يا خم شدن فضا-زمان است. چگونه ممکن است فضا-زمان خميده شود؟ براي تصور اين موضوع، باز هم به سراغ مورچه مي رويم. يک روز بهاري را تصور کنيد که با دوستانتان به باغ توت رفته ايد. براي جمع کردن توت، پارچه اي را زير درختي گرفته ايد. هر کدام از دوستانتان يک گوشه پارچه را در دست دارند و آن را چنان محکم کشيده ايد که پارچه تقريبا به صورت يک صفحه تخت در آمده است. روي پارچه مورچه اي قرار دارد که به طرف يک توت در سر ديگر پارچه حرکت مي کند.
در اين حالت نيز فضايي که مورچه مي تواند در آن حرکت کند، دو بعدي است. کوتاه ترين مسيري که مورچه مي تواند طي کند تا به توت برسد، خط راست است، اما اگر سنگ بزرگي را روي پارچه بيندازيم، فضايي که مورچه امکان حرکت در آن را دارد، خميده مي شود و در اين فضاي جديد، ديگر کوتاه ترين مسير، خط راست نيست.
البته مثال مورچه و سنگ کاملا با آنچه که در واقعيت در اطراف يک جرم اتفاق مي افتد، مطابقت ندارد؛ اما تصور خميدگي فضا در کنار يک جرم را براي ما آسان مي کند. مطابق نظريه نسبيت عام، اجرام در فضا و زمان خميدگي ايجاد مي کنند، به طوري که هر چه جرم و تراکم آن بيشتر باشد خميدگي بيشتري حاصل مي شود.
بهترين روش براي نشان دادن خميدگي فضا، بررسي مسير نور در کنار جسمي پرجرم است؛ زيرا نور براي طي فاصله بين دو نقطه، سريع ترين مسير را انتخاب مي کند. بنابراين، اگر جرم فضا را خميده کند، مسير نور بايد هنگام عبور از کنار جسمي پرجرم، منحرف شود.
اين نکته را «اينشتين» در سال 1916 مطرح کرد. اما آزمودن آن کار آساني نبود، زيرا بايد مسير نور را در نزديکي جسم پر جرم مانند خورشيد بررسي کنيم. اما پرتوهاي نور اجسامي که نزديک خورشيد ديده مي شود، در فروغ خورشيد، قابل تشخيص نيستند. در خورشيد گرفتگي ماه مي سال 1919، «سر ادينگتون» توانست جا به جايي موقعيت ستاره هاي نزديک خورشيد را اندازه گيري کند؛ به اين طريق، نسبيت عام به طور تجربي اثبات شد.
هر چه چگالي و جرم يک جسم بيشتر باشد، گرانش آن بيشتر است و در اطراف آن فضا-زمان بيشتر خميده مي شود. بنابراين، اگر کنار جسمي با گرانش زياد باشيم، مثل اين است که با شتاب زياد حرکت کنيم و ساعت ها کندتر کار مي کنند و اگر فضا- زمان به قدر کافي خم شود، ممکن است ساعت ها به کلي متوقف شوند، اما از کجا مي توانيم چنين جرمي با چگالي بالا پيدا کنيم؟
ستاره ها اجسام پرجرمي هستند، اما چون چگالي نسبتا زيادي ندارند، انحراف نور در ميدان گرانش آنها خيلي زياد نيست. نور ستاره هاي نزديک به خورشيد، فقط حدود يک ثانيه قوس منحرف مي شود. ستاره هاي پرجرم در پايان عمرشان به صورت ابر نواختر منفجر مي شوند. اگر جرمي که پس از انفجار باقي مي ماند، بيش از سه برابر خورشيد جرم داشته باشد، آن قدر فشرده است و آن قدر گرانش زيادي دارد که حتي نور هم نمي تواند از آن فرار کند. اجسامي که سياه چاله ها مي بلعند، هنگام فرو ريزش به درون آن و پيش از آن که ناپديد شوند، پرتوهاي ايکس و گاماي پرانرژي تابش مي کنند.
با اين که در شرايط معمولي از درون سياه چاله ها هيچ پرتوي خارج نمي شود، با آشکارسازي اين پرتوهاي ايکس و گاما که از موادي که به درون سياه چاله کشيده مي شوند، تابش مي شوند، مي توانيم به وجود سياه چاله ها پي ببريم.
هر جسمي مي تواند به سياه چاله تبديل شود به شرط آن که بتوان آن را به مقدار کافي فشرده کرد. آيا مي توانيد يک برج 20 طبقه يا يک کوه را درون کره اي به شعاع يک سانتي متر جاي دهيد؟ کل شهر اصفهان، قله دماوند يا اورست کل ايران را چطور؟ حالا تصور کنيد کل کره زمين در کره اي با شعاعي کمتر از يک سانتي متر (0/9 سانتي متر) فشرده شود!
اگر چنين نيرويي داشتيم که زمين را فشرده کنيم، مي توانستيم زمين را به سياه چاله تبديل کنيم. اگر يک جسم يا حتي پرتو نور، از فاصله اي که «افق رويداد» ناميده مي شود، به سياه چاله نزديک تر شود، سياه چاله آن را مي بلعد و هرگز نمي تواند از آن خارج شود. در واقع، ما از افق رويداد به بعد، هيچ اطلاعي از درون سياه چاله نداريم.
فضا-زمان درون سياه چاله به طور عجيبي در هم مي پيچد. اما با قوانين نسبيت عام و رياضيات پيشرفته، مي توانيم فضا-زمان آن را بررسي کنيم. در سال 1390 اينشتين و همکارش «روزن»، نشان دادند که سياه چاله مي تواند عالم را به عالم ديگري که کاملا با عالم ما متفاوت است، متصل کند. هنگامي وارد سياه چاله مي شويم، در واقع، وارد تونلي قيف مانند با فضا- زمان پيچيده مي شويم که در انتهاي آن تونل ديگري قرار دارد که مثل تصوير آينه اي آن است، و سر ديگر تونل دوم ما را به عالم ديگري متصل مي کند.
اين تونل که در ابتدا نام «پُل انشتين-روزن» بر آن نهاده شده بود، بعدها «کرم چاله اي» نام گرفت. تصوير... کرم چاله اي را نشان مي دهد که صفحه بالايي که عالم ماست را با يک تونل، به عالمي موازي که در صفحه پاييني است، متصل مي کند. دو صفحه موازي هرگز به هم نمي رسند و نمي توانند هيچ گونه رابطه اي با هم داشته باشند. ممکن است به موازات عالم ما نيز عالم هاي بسياري وجود داشته باشند که ما از وجودشان بي خبريم؛ تنها راه رسيدن به آنها، عبور از يک کرم چاله است!
همچنين سياه چاله ها مي توانند دهانه هاي راهرويي باشند که يک نقطه از فضا-زمان در عالم خودمان را به نقطه اي با فضا زمان متفاوت در همين عالم متصل ياد شده، شمايي از چنين کرم چاله اي را نشان مي دهد.
واقعيت چيست؟
مشکل بزرگ ديگر اين است که گرانش شديد سياه چاله، موجب مي شود که کرم چاله به محض شکل گيري، در هم فرو بريزد و مسافران درونش را له کند! بنابراين، اگر بخواهيم از کرم چاله اي عبور کنيم، بايد سرعتي بيش از سرعت نور داشته باشيم.
ساده ترين سياه چاله ها، آنهايي هستند که چرخش و بار الکتريکي ندارد و به افتخار اخترشناس آلماني که به توصيف هندسه اين گونه سياه چاله ها پرداخته است، «شوارتزشليد» ناميده مي شوند. محاسبه شعاع افق رويداد و گرانش يک سياه چاله شوارتزشيلد، براي اخترشناسان خيلي مشکل نيست.
اما معمولا سياه چاله ها ساده نيستند، زيرا از ستاره هايي بوجود مي آيند که به دور خود مي چرخند و بار الکتريکي قابل توجهي دارند. بار و حرکت دوراني، در انفجار ابر نواختري از بين نمي روند. بنابراين، سياه چاله حاصل از اين ستارگان پر جرم، سياه چاله اي چرخان خواهد بود. هيچ جسم و پرتوي نمي تواند از سياه چاله شوارتزشيلد خارج شود، اما اگر به معادلات مربوط به آن، دوران و بار الکتريکي را اضافه کنيم، از محاسبات به دست مي آوريم که «به طور نظري» در شرايط خاصي امکان خروج ذره و پرتو از اين سياه چاله ها وجود دارد.
چنين سياه چاله هايي خيلي هم سياه نيستند! برخي از دانشمندان آنها را سفيد چاله ناميده اند. البته تاکنون چنين چيزي مشاهده نشده است. اين که به طور نظري (و نه عملي و تجربي) مي توان با سرعتي کمتر از سرعت نور از سياه چاله هاي چرخان عبور کرد، به اين معنا نيست که ديگر مشکلي بر سر راه ساخت ماشين زمان وجود ندارد. در هر ميدان گرانشي، نيرويي که به قسمت هاي مختلف يک جسم وارد مي شود، يکسان نيست.
به قسمت هاي نزديک تر جسم نيروي بيشتر، و به قسمت هاي دورتر نيروي کمتري وارد مي شود. به اختلاف اين نيروها، «نيروي کشندي» مي گويند. اگر ميدان گرانشي خيلي قوي باشد، نيروهاي کشندي موجب قطعه قطعه شدن جسم مي شوند. هر جسمي که به سياه چاله نزديک شود، حتي پيش از ورود به کرم چاله، قطعه قطعه مي شود. پس مشکل ديگر، اين است که بدن انسان و هيچ ماده اي نمي تواند در مقابل نيروهاي کشندي سياه چاله مقاومت کند.
مشکل ديگر اين است که کرم چاله ها دوامي ندارند و علاوه بر اين که ممکن است بِرُمبَند و فضاپيما و مسافران درونشان را له کنند، حتي اگر فضاپيما بتواند به سلامت از درون کرم چاله عبور کند، ديگر راه برگشتي نخواهد داشت چون کرم چاله فورا از بين مي رود! و مسافران مجبورند براي بازگشت سياه چاله و کرم چاله اي ديگر پيدا کنند.
اين کار بسيار خطرناک است، زيرا ممکن است گرفتار سياه چاله هايي شوند که در ابتداي عالم بر اثر فشار مهيب انفجار اوليه عالم شکل گرفته اند و با سياه چاله هايي که از مرگ ستاره به وجود مي آيند، بسيار متفاوت هستند.
در اين سياه چاله هاي نخستين، جرمي معادل چند ميليون تن در ابعادي به کوچکي يک اتم فشرده شده است و ذره و تابش هاي مرگبار گسيل مي کنند. گذشته از اين، ما که هنوز نمي توانيم حرکت لايه هاي سطح زمين را که موجب زلزله مي شوند کنترل کنيم، چگونه مي توانيم جسم کوچکي مثل زمين (کوچک نسبت به ابعاد نجومي!) يا يک سياه چاله را کنترل کنيم پس نمي توانيم کاري کنيم که سياه چاله به مقصد مورد نظر ما منتهي شود!
آيا فيلم تماس (Contact)را ديده ايد؟ نگارش داستان اين فيلم علمي-تخيلي، به تحقيق درباره کرم چاله ها نياز داشت. «کارل ساگان» (اخترشناسي که روي طرح ارتباط با موجودات فرازميني از طريق پرتوهاي راديويي کار مي کرد) در دهه 1980 (1360) داستان تماس را نوشت.
در اين داستان، دانشمندي با روشي که از موجودات فرازميني فرا مي گيرد، ماشيني براي سفر در فضا-زمان مي سازد و از يک کرم چاله عبور مي کند. ساگان از «کيپ تورن» فيزيکدان نظري، خواست تا داستانش را از نظر علمي مورد بررسي قرار دهد. تورن که مايل بود به ساگان کمک کند، به بررسي پاسخ هاي ممکن براي معادلات نسبيت عام انشتين پرداخت و توانست پاسخي بيابد که به امکان سفر در زمان منجر مي شد.
تورن و يکي از دانشجويانش به بررسي اثرات گرانشي فشار پرداختند. فشار هم مي تواند مانند جرم، موجب به وجود آمدن گرانش شود. ما به طور معمول اثرات گرانشي فشار را مشاهده نمي کنيم، زيرا اين اثرات در زندگي روزمره ما و آزمايش هاي معمولي بسيار ناچيزيند. اگر بتوانيم از فشار براي ايجاد گرانش استفاده کنيم، قادر خواهيم بود براي مدتي کرم چاله ها را باز نگه داريم تا مسافران به سلامت از آن عبور کنند.
اگر دختري که برادر دوقلو دارد، سوار موشکي شود و با سرعتي نزديک سرعت نور سفر کند، پس از بازگشت به زمين مي بيند که برادرش بسيار بيشتر از خودش پير شده است. اين اختلاف سن به سرعت موشک و مدت زمان سفر بستگي دارد.
تورن و موريس به کمک يکي ديگر از دانشجويان تورن به نام «يوتسو» کشف کردند که اگر يکي از دهانه هاي کرم چاله با سرعت زياد در فضا حرکت کند و سپس، به نقطه اي نزديک به دهانه ديگر برگردد، کرم چاله ما تبديل به ماشين زمان مي شود. زيرا ساعت هايي که در دهانه متحرک هستند، بسيار کندتر کار مي کنند. با تعيين مدت زمان و سرعت حرکت دهانه کرم چاله، مي توانيم مشخص کنيم که چقدر در زمان سفر کنيم.
اگر از دهانه متحرک وارد و از دهانه ساکن خارج شويم، به گذشته سفر مي کنيم؛ و اگر بر عکس عمل کنيم، به آينده مي رويم. البته عيب بزرگ اين ماشين اين است که نمي توانيم با آن به زماني عقب تر از زمان اختراع آن، يعني آغاز حرکت دهانه کرم چاله، سفر کنيم؛ مگر اين که در گذشته هاي دور و در تمدني باستاني ماشين زمان را اختراع کرده باشند و ما با استفاده از دهانه کرم چاله آنها به گذشته سفر کنيم.
اما آيا حرکت دادن يک کرم چاله ممکن است؟ از نظر تئوري، بله! مي توانيم بار الکتريکي زيادي روي کرم چاله قرار دهيم و با جسمي که بار مخالف دارد، آن را به حرکت درآوريم، همچنين مي توانيم از گرانش يک سيارک بر جرم يا يک کوتوله قهوه اي براي اين کار استفاده کنيم.
البته تمام تحقيقات دانشمندان در مورد سفر در زمان، فقط و فقط به طور نظري و روي کاغذ است؛ و در حال حاضر ما حتي يکي از شرايط سفر در فضا-زمان را نمي توانيم مهيا کنيم- اين که به سرعتي قابل مقايسه با سرعت نور برسيم يا ماده اي کشف کنيم که اثرات پادگرانشي داشته باشد يا بتوانيم کرم چاله را حرکت دهيم!
از نظر بسياري از دانشمندان، هرگز نمي توانيم ماشين زمان بسازيم؛ زيرا چنين چيزي کاملا غيرمنطقي است!تصويرش را بکنيد: اگر بتوانيد به يک کرم چاله سفر کنيد و به گذشته برويد، در اين صورت خودتان را در چند سال پيش ملاقات خواهيد کرد! سپس در حالي که با خودتان درباره خاطرات شيرين گذشته صحبت مي کنيد، با هم کرم چاله ديگري مي يابيد و در آن سفر مي کنيد و دو تا «خود» قديمي تر را ملاقات مي کنيد! در واقع، در آن واحد سه کُپي از شما وجود خواهد داشت. آيا ممکن است چند نمونه از يک نفر وجود داشته باشد در حالي که افراد يک روح دارند و خاطرات آنها بايد يکسان باشند؟
مشکل ديگر، اتفاقاتي هستند که علت و معلول هستند. مثلا يکي از نواده هاي محمد خان قاجار متوجه جنايات جدش مي شود و به گذشته سفر مي کند تا او را از ميان بردارد. اگر جد او در زمان گذشته کشته شود، پس قاتل هرگز به دنيا نخواهد آمد که به گذشته برود و جدش را به قتل برساند! يکي از بزرگترين پرسش هايي که درباره ماشين زمان مطرح مي شود، اين است که آيا شخصي که در زمان سفر مي کند، مي تواند تاريخ را تغيير دهد؟
«استيون هاوکينگ»، فيزيکدان نظري معاصر و نويسنده چندين کتاب عامه فهم از جمله «تاريخچه زمان» درباره سفر در زمان عقيده جالبي دارد:«چون ما هرگز با انسان هايي که از آينده آمده باشند ملاقات نکرده ايم، پس در آينده ماشين زمان اختراع نخواهد شد!»
منبع: ماهنامه دانشمند شماره 570
