فرض کنید دهانهای کروی در برابر شما ظاهر شود که درون آن بخشی کاملاً متفاوت از جهان دیده میشود. با عبور از آن، ممکن است بدون پیمودن هزاران سال نوری در فضای معمولی، از مسیری بسیار کوتاهتر به نزدیکی ستارهای دور برسید. فیزیکدانان به چنین میانبری در ساختار فضا و زمان «کرمچاله» (Wormhole) میگویند. کرمچالهها هنوز مشاهده نشدهاند، اما بعضی پاسخهای معادلات نسبیت عام وجود آنها را ممکن میدانند. اگر این ساختارها واقعاً وجود داشته باشند، نهتنها سفر میان ستارهای، بلکه تصور ما از فاصله، زمان و رابطه علت و معلول را تغییر خواهند داد.
کرمچاله ساختاری فرضی در فضاـزمان است که میتواند میان دو نقطه بسیار دور، مسیری کوتاه ایجاد کند. این دو نقطه میتوانند در دو سوی یک کهکشان، در دو کهکشان جدا یا حتی در بخشهایی بسیار دور از جهان قرار داشته باشند. در بعضی مدلهای نظری نیز دو دهانه کرمچاله میتوانند به زمانهای متفاوتی متصل شوند.
برای درک بهتر، سطح یک سیب را تصور 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 بسیار کوتاهتر میشود. در این مثال، سطح سیب مسیر معمول حرکت در فضا و تونل داخلی، همان میانبری است که کرمچاله ایجاد میکند. البته این فقط یک تشبیه ساده است، زیرا جهان ما سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی دارد و ساختار واقعی یک کرمچاله بسیار پیچیدهتر خواهد بود.
کرمچاله را نباید سوراخی معمولی در فضای خالی تصور کرد. طبق نسبیت عام، فضا و زمان با هم بافتی چهاربعدی بهنام فضاـزمان را تشکیل میدهند. جرم و انرژی میتوانند این بافت را خم کنند. کرمچاله نوعی خمیدگی بسیار شدید و غیرعادی در هندسه فضاـزمان است که دو ناحیه دور را مستقیماً به یکدیگر پیوند میدهد. بنابراین، مسافر از یک لوله مادی عبور نمیکند، بلکه مسیری را طی میکند که خود فضاـزمان آن را کوتاه کرده است.
تا اوایل قرن بیستم، بیشتر فیزیکدانان فضا را بستری ثابت و تغییرناپذیر میدانستند. زمان هم جریانی یکنواخت و جهانی تصور میشد که برای همه ناظران، در هر نقطه از جهان، با آهنگی یکسان میگذرد. در چنین تصویری، فاصله میان دو نقطه، مقداری ثابت بود و خود فضا نمیتوانست کشیده، فشرده یا خم شود.
این برداشت در سال ۱۹۰۵ با نظریه نسبیت خاص اینشتین تغییر کرد. اینشتین نشان داد که اندازهگیری زمان و فاصله به وضعیت حرکت ناظر بستگی دارد. دو ناظر که با سرعتهای متفاوت حرکت میکنند، ممکن است درباره مدت یک رویداد یا فاصله میان دو نقطه نتایج یکسانی بهدست نیاورند. چند سال بعد، «هرمان مینکوفسکی» (Hermann Minkowski) این ایده را در قالبی هندسی بیان کرد و نشان داد که فضا و زمان، دو بخش جدا از جهان نیستند، بلکه با هم ساختاری چهاربعدی بهنام فضاـزمان تشکیل میدهند.
اینشتین در سال ۱۹۱۵ با ارائه نسبیت عام، این تصویر را یک گام 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 تغییر میدهند و به آن میگویند چگونه خم شود و فضاـزمان نیز مسیر حرکت ماده را تعیین میکند.
حرکت زمین به دور خورشید نمونهای از همین فرایند است. خورشید با جرم عظیم خود فضاـزمان اطرافش را خم و زمین در این هندسه خمیده، طبیعیترین مسیر ممکن را دنبال میکند. نور نیز هنگام عبور از کنار اجرام پرجرم منحرف میشود، زیرا مسیرش از فضایی میگذرد که دیگر کاملاً تخت نیست. حتی آهنگ گذر زمان در همه جا یکسان نمیماند. هرچه میدان گرانشی قویتر باشد، زمان برای ناظر محلی نسبت به ناظری دورتر آهستهتر میگذرد.
پس از مطرح شدن نسبیت عام، پرسش جسورانهتری شکل گرفت: آیا ممکن است این خمیدگی چنان شدید باشد که دو ناحیه بسیار دور را مستقیماً بههم متصل کند؟ ایده کرمچاله از دل همین پرسش بیرون آمد. کرمچاله در اصل نتیجه بررسی هندسههای ممکن در نسبیت عام است؛ هندسههایی که شاید بتوانند بهجای پیمودن فاصلهای طولانی در فضای معمولی، میانبری در خود فضاـزمان ایجاد کنند.
در سال ۱۹۱۶، تنها چند ماه پس از انتشار 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. هدف او توصیف گرانش بیرون ستارهای مانند خورشید بود، اما راهحلش نتیجهای بسیار عجیبتر در خود داشت. اگر جرم کافی در ناحیهای بیش از حد کوچک فشرده شود، ساختاری شکل میگیرد که امروز آن را سیاهچاله مینامیم. مرز این ناحیه افق رویداد است. پس 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 بررسی کرد. او نشان داد که یک برش فضایی از این هندسه میتواند بهصورت سطحی خمیده با گلوگاهی باریک نمایش داده شود. این ساختار هنوز کرمچاله به معنای امروزی نبود، اما یکی از نخستین نشانههای ریاضی مسیری بود که بعدها به مفهوم پل یا تونل فضاـزمان منتهی شد.
یکی از نکات گیجکننده در راهحل شوارتزشیلد، رفتار معادلات در افق رویداد بود. در مختصات اولیه، برخی کمیتها در این مرز بینهایت میشدند و چنین به نظر میرسید که فضاـزمان در آنجا دچار گسست یا تکینگی شده است. بعدها مشخص شد این بینهایتشدن یک مشکل فیزیکی واقعی نیست و به انتخاب نامناسب مختصات برمیگردد.
با استفاده از مختصات مناسبتر، میتوان راهحل شوارتزشیلد را از افق رویداد عبور داد و ساختار کاملتری از آن بهدست آورد. در این حالت، علاوهبر فضای بیرون و داخل سیاهچاله، یک ناحیه خارجی دوم و بخشی شبیه سفیدچاله نیز ظاهر میشود. سفیدچاله را میتوان وارون زمانی یک سیاهچاله دانست. همانطور که سیاهچاله همه چیز را میبلعد، هیچ چیز نمیتواند از بیرون وارد سفیدچاله شود. بااینحال، سفیدچاله تاکنون مشاهده نشده است و هیچ فرایند طبیعی شناختهشدهای برای تشکیل پایدار آن وجود ندارد.
در سال ۱۹۳۵، آلبرت اینشتین و ناتان روزن (Nathan Rosen) هندسه پلمانند را با هدفی متفاوت بررسی کردند. آنها در پی ساخت مسیری برای سفر میان ستارهها نبودند، بلکه میخواستند ذرات بنیادی را بدون استفاده 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 شبیه یک میانبر 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 وارد شود و از ناحیه دیگر بیرون بیاید. بنابراین، اتصال میان دو بخش فضاـزمان در معادلات وجود دارد، اما به یک مسیر واقعی برای انتقال ماده یا پیام تبدیل نمیشود.
دلیل این مسئله به هندسه درون سیاهچاله بازمیگردد. پس از عبور از افق رویداد، تمام مسیرهای ممکن رو به آینده بهسمت بخش داخلی سیاهچاله ادامه پیدا میکنند. برای جسمی که وارد 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 تغییر دهد و خود را به ناحیه خارجی دوم برساند. درنتیجه، مسافر بهجای عبور از پل و خروج از سوی دیگر، درون سیاهچاله به حرکت خود ادامه میدهد و در توصیف کلاسیک نسبیت عام، سرانجام به تکینگی میرسد. بههمیندلیل، سیاهچاله معمولی را نباید دروازهای طبیعی به نقطهای دور از جهان تصور کرد. افق رویداد ورودی یک تونل نیست و تکینگی هم خروجی آن بهشمار نمیرود.
در دهه ۱۹۵۰، جان آرچیبالد ویلر (John Archibald Wheeler) بار دیگر توجه فیزیکدانان را به اتصالهای فرضی در فضاـزمان جلب کرد و نام کرمچاله را برای این ساختارها رواج داد. ویلر از خود پرسید آیا فضاـزمان در کوچکترین مقیاسهای طبیعت همچنان صاف، پیوسته و آرام باقی میماند؟
این پرسش ما را به مقیاس پلانک میرساند؛ طولی در حدود ۱۰ به توان ۳۵- متر. در چنین مقیاسی، انتظار میرود اثرهای کوانتومی گرانش آنقدر شدید شوند که تصویر معمول ما از فضا و زمان دیگر معتبر نباشد. ویلر پیشنهاد کرد که فضاـزمان در این سطح شاید ساختاری ناآرام و متغیر داشته باشد؛ محیطی که هندسه آن بهطور پیوسته دچار نوسان میشود. او این تصویر فرضی را کف کوانتومی نامید.
برای درک این ایده، سطح اقیانوس را تصور کنید. از فاصلهای دور، آب صاف و آرام بهنظر میرسد، اما از نزدیک با موجها، حبابها و آشفتگیهای فراوان روبهرو میشویم. فضاـزمان نیز ممکن است در مقیاسهای معمولی هموار دیده شود، اما در مقیاس پلانک ساختاری بسیار آشفته داشته باشد. در بعضی مدلهای نظری، این نوسانها میتوانند برای زمانهایی بسیار کوتاه، تغییر شکلهای شدید هندسی و حتی اتصالهایی میکروسکوپی شبیه کرمچاله ایجاد کنند که تقریباً بلافاصله ناپدید میشوند.
البته کف کوانتومی تاکنون مستقیماً مشاهده نشده است. این مفهوم به قلمرویی تعلق دارد که در آن باید نسبیت عام با مکانیک کوانتومی ترکیب شود. ازآنجاکه هنوز نظریه کامل و آزمایششدهای برای گرانش کوانتومی نداریم، نمیدانیم فضاـزمان در مقیاس پلانک واقعاً چه رفتاری دارد. بنابراین، کرمچالههای کوانتومی فعلاً در حد نظریه باقی ماندهاند.
بااینحال، ایده ویلر پرسشی هیجانانگیز را مطرح کرد: اگر چنین کرمچالههای بسیار کوچکی واقعاً در اعماق فضاـزمان به وجود بیایند، آیا روزی میتوان یکی از آنها را بزرگ کرد و آنقدر پایدار نگه داشت که چیزی از درونش عبور کند؟ درحالحاضر هیچ روش شناختهشدهای برای انجام چنین کاری وجود ندارد. تبدیل یک نوسان احتمالی در مقیاس پلانک به گذرگاهی بزرگ، فقط به معنای افزایش اندازه آن نیست. باید ساختار اتصال فضاـزمان حفظ شود، گلوگاه در برابر فروپاشی مقاومت کند و انرژیها و نیروهای شدیدی که در این فرایند ایجاد میشوند کنترل شوند. ممکن است هر یک از این مراحل به فناوریهایی بسیار فراتر از توان ما نیاز داشته باشد یا حتی براساس قوانین بنیادی طبیعت ناممکن باشد.
در سال ۱۹۸۸، «مایکل موریس» (Michael S. Morris) و «کیپ ثورن» (Kip Thorne) بررسی نوع متفاوتی از کرمچاله را آغاز کردند. انگیزه این پژوهش تا حدی از پرسشهایی شکل گرفت که «کارل سیگن» (Carl Sagan) هنگام نوشتن رمان تماس، درباره سفر از میان کرمچاله مطرح کرده بود. آیا معادلات نسبیت عام فقط پلهای غیرقابلعبوری مانند 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 پاسخ به این پرسش، روش معمول حل معادلات اینشتین را برعکس کردند. در حالت عادی، فیزیکدانان ابتدا مقدار و نحوه توزیع جرم و انرژی را مشخص و سپس محاسبه میکنند که این مواد، فضاـزمان را چگونه خم میکنند. اما آنها ابتدا شکل مطلوب یک کرمچاله قابلعبور را در نظر گرفتند و بعد از معادلات پرسیدند چه نوع توزیع جرم، انرژی و فشار میتواند چنین هندسهای را بهوجود آورد.
در مدل آنها، کرمچاله از دو دهانه و یک گلوگاه تشکیل میشود. دهانهها میتوانند در دو نقطه بسیار دور از جهان قرار داشته باشند و گلوگاه، مسیر کوتاه میان آنها را بسازد. فاصله دو دهانه در فضای معمولی ممکن است صدها یا هزاران سال نوری باشد، درحالیکه مسیر درون کرمچاله بسیار کوتاهتر است. بههمیندلیل، مسافر میتواند در زمان اندکی به مقصد برسد و در هیچ بخش از مسیر خود سریعتر از نور حرکت نکند. او از نور سبقت نمیگیرد، بلکه راهی کوتاهتر را طی میکند.
برای ممکن بودن چنین سفری، چند ویژگی اساسی باید برای کرمچاله در نظر گرفته شود. در دهانهها و گلوگاه نباید افق رویداد وجود داشته باشد، زیرا افق رویداد مسیر بازگشت را میبندد. گلوگاه باید به اندازه کافی بزرگ باشد و در زمان عبور فرو نریزد. همچنین، اختلاف نیروی گرانش میان بخشهای مختلف 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 فشار وجود داشته باشد که در برابر بسته شدن آن مقاومت کند. این عامل فرضی معمولاً ماده عجیب نامیده میشود.
ماده عجیب را نباید با پادماده اشتباه گرفت. پادماده مانند 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 فشار، لازم است. چنین توزیعی باید دستکم بعضی از شرطهای انرژی در نسبیت عام را نقض کند.
شرطهای انرژی مجموعهای از محدودیتهای ریاضی هستند که رفتار ماده و انرژی معمولی را در فضاـزمان توصیف میکنند. یکی از آنها شرط انرژی تهی است. براساس این شرط، انرژی که یک پرتو نور در مسیر خود اندازه میگیرد نباید منفی باشد. بیشتر مدلهای کرمچاله قابلعبور برای باز نگه داشتن گلوگاه مجبورند همین شرط را در ناحیهای محدود نقض کنند.
براساس فیزیک کوانتوم، انرژی منفی کاملاً بیمعنا نیست. در بعضی شرایط، انرژی یک ناحیه میتواند نسبت به حالت معمول خلأ کمتر باشد. «اثر کاسیمیر» (Casimir Effect) نمونه شناختهشدهای از این وضعیت است. اگر دو صفحه رسانا در فاصلهای بسیار کم از یکدیگر قرار بگیرند، محدود شدن نوسانهای میدانهای کوانتومی میان آنها نیرویی قابلاندازهگیری ایجاد میکند. در توصیف نظری، چگالی انرژی میان صفحات نسبت به فضای بیرون میتواند منفی در نظر گرفته شود.
بااینحال، اثر کاسیمیر راهحلی آماده برای ساخت کرمچاله نیست. مقدار انرژی منفی ایجادشده بسیار ناچیز است و فقط در فاصلهها و شرایطی بسیار محدود بهوجود میآید. نظریه میدان کوانتومی نیز اجازه نمیدهد هر مقدار انرژی منفی را برای هر مدت و در هر حجمی ذخیره کنیم.
درحالحاضر هیچ راهی نمیشناسیم که بتوان با آن انرژی منفی را در مقدار لازم تولید، ذخیره و کنترل کرد تا گلوگاهی بزرگ و پایدار برای عبور انسان باز بماند. حتی اگر روزی به چنین انرژی دست پیدا کنیم، باز هم ساخت کرمچاله قطعی نخواهد بود. انرژی منفی شاید بتواند از بستهشدن گلوگاه یک کرمچاله جلوگیری کند، اما ایجاد خود کرمچاله مسئله دیگری است. هنوز نمیدانیم چگونه میتوان دو ناحیه جدا از فضاـزمان را به یکدیگر متصل کرد و دو دهانه و گلوگاه میان آنها را به وجود آورد.
برای سیاهچالهها مسیر شکلگیری نسبتاً روشنی میشناسیم. هنگامی که ستارهای بسیار پرجرم سوخت هستهای خود را تمام میکند، فشار درونی آن دیگر نمیتواند در برابر گرانش مقاومت کند. اگر جرم هسته از حد معینی بیشتر باشد، فروپاشی ادامه پیدا میکند و سیاهچاله شکل میگیرد. اما درباره کرمچالهها چنین فرایند طبیعی و تأییدشدهای وجود ندارد. هنوز نمیدانیم طبیعت چگونه میتواند دو دهانه را به یکدیگر متصل کند، گلوگاهی میان آنها بسازد و این ساختار را برای مدتی طولانی باز نگه دارد.
یکی از احتمالهای مطرحشده به نخستین لحظات پس از بیگبنگ مربوط میشود. جهان آغازین بسیار داغ و چگال بود و فضاـزمان نیز احتمالاً نوسانهای شدیدی را تجربه میکرد. بعضی مدلهای نظری پیشنهاد میکنند که در چنین شرایطی شاید اتصالهای بسیار کوچکی در فضاـزمان بهوجود آمده باشند.
در برخی سناریوها، رشتههای کیهانی نیز میتوانند در شکلگیری یا پایدار ماندن چنین ساختارهایی نقش داشته باشند. رشته کیهانی، درصورت وجود، نقصی بسیار باریک و پرانرژی در فضاـزمان است که ممکن است هنگام گذارهای فازی در جهان آغازین شکل گرفته باشد. این رشتهها با ریسمانهای بنیادی در نظریه ریسمان یکسان نیستند، هرچند بعضی مدلها میان آنها ارتباط برقرار میکنند. تاکنون هیچ رشته کیهانی بهطور قطعی مشاهده نشده است.
مشکل اصلی این فرضیهها آن است که تقریباً همه مراحل آنها به فیزیکی وابستهاند که هنوز شواهد تجربی محکمی برایش نداریم. یک کرمچاله نخستین باید در محیط بسیار خشن جهان آغازین تشکیل شود، از فروپاشی فوری جان سالم به در ببرد و سپس میلیاردها سال در برابر تابش، ماده و تحول کیهان پایدار بماند. حتی اگر نمونههایی میکروسکوپی از آن دوران باقی مانده باشند، تشخیص آنها با ابزارهای امروزی بسیار دشوار خواهد 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 بازگشت را ببندد. دهانه کرمچاله احتمالاً به شکل کرهای دیده میشود که نور ناحیه مقصد از درون آن عبور میکند. درنتیجه، بهجای حفرهای کاملاً تاریک، منظرهای خمیده و اعوجاجیافته از بخش دیگری از جهان روی سطح آن دیده خواهد شد. هرچه به دهانه نزدیکتر شوید، تصویر مقصد بخش بیشتری از میدان دیدتان را پر میکند.
در زمان عبور، تغییر منظره احتمالاً پیوسته خواهد بود. آسمان مقصد کمکم روبهروی شما گسترده میشود و آسمان مبدأ پشت سرتان کوچکتر بهنظر میرسد. پس از خروج نیز اگر به عقب نگاه کنید، ممکن است محل آغاز سفر را مانند تصویری درون یک کره شناور ببینید که نتیجه خم شدن مسیر نور در هندسه کرمچاله است.
البته چنین سفری فقط در مدلی بسیار ایدهآل بیخطر خواهد بود. گلوگاه باید آنقدر بزرگ باشد که شدت گرانش در طول بدن یا فضاپیما تفاوت زیادی نداشته باشد. اگر این اختلاف شدید باشد، نیروهای کشندی یک سمت جسم را بیشتر از سمت دیگر میکشند و میتوانند آن را کشیده، فشرده یا حتی متلاشی کنند. این همان اثری است که در نزدیکی بعضی سیاهچالهها با نام اسپاگتیشدن شناخته میشود.
پایداری تابش و میدانهای اطراف گلوگاه نیز اهمیت زیادی دارد. نور و ذراتی که وارد کرمچاله میشوند ممکن است در اثر حرکت و میدان گرانشی به طول موجهای کوتاهتر و انرژیهای بالاتر منتقل شوند. این پدیده انتقال به آبی نام دارد. اگر انرژی تابش درون گلوگاه بیشازحد افزایش یابد یا در آن ناحیه انباشته شود، میتواند تعادل 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 فشار، 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 پیدا کنند. بنابراین، عبور ایمن از کرمچاله زمانی ممکن خواهد بود که اندازه گلوگاه، نیروهای کشندی، میزان تابش، پایداری هندسه و شرایط دو سوی دهانه همگی با دقت کنترل شوند؛ شرایطی که هنوز نمیدانیم طبیعت اصلاً امکان فراهم شدن آنها را میدهد یا نه.
اگر دو دهانه یک کرمچاله ابتدا کنار هم و همزمان باشند، میتوان با استفاده از اتساع زمان میان آنها اختلاف ایجاد کرد. کافی است یکی از دهانهها با سرعتی نزدیک نور سفر کند یا مدتی در میدان گرانشی بسیار قوی قرار بگیرد. در هر دو حالت، زمان برای آن دهانه آهستهتر میگذرد. وقتی دوباره دو دهانه کنار هم قرار بگیرند، ممکن است از نظر مکانی نزدیک باشند، اما ساعتهایشان زمان یکسانی را نشان ندهد.
اگر اختلاف زمانی میان دو دهانه حفظ شود، ورود از یک دهانه میتواند مسافر را از دهانه دیگر در زمانی زودتر 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 گذشته میرساند، مسیر غیرعادی فضاـزمان درون کرمچاله است. اگر مسافر پس از خروج بتواند از راه معمول به محل آغاز سفر برگردد، مسیری بسته در زمان شکل میگیرد؛ مسیری که او را دوباره به نقطهای از گذشته خودش میرساند.
این ماشین زمان محدودیت مهمی دارد: معمولاً نمیتوان با آن به زمانی پیش از ایجاد اختلاف میان دو دهانه رفت. اگرچه، حتی بازگشت چند دقیقهای هم برای بههمزدن رابطه علت و معلول کافی است. اینجاست که پارادوکسها آغاز میشوند. در پارادوکس پدربزرگ، مسافر کاری میکند که تولد خودش ناممکن شود. در پارادوکس بوتاسترپ نیز اطلاعات یا شیئی در حلقهای زمانی میچرخد، بیآنکه منشأ مشخصی داشته باشد.
چند پاسخ نظری برای حل این تناقضها پیشنهاد شدهاند. اصل خودسازگاری نوویکوف میگوید هر اتفاقی در گذشته رخ دهد، باید از ابتدا با تاریخ سازگار باشد. در دیدگاهی دیگر، مسافر شاید وارد شاخهای متفاوت از واقعیت شود و گذشته خودش را تغییر ندهد. اما هیچ شاهدی نداریم که کرمچالهها واقعاً چنین کاری انجام دهند.
استیون هاوکینگ احتمال دیگری را مطرح کرد: شاید طبیعت اصلاً اجازه ندهد ماشین زمان شکل بگیرد. طبق «حدس حفاظت از ترتیب زمانی»، اثرهای کوانتومی ممکن است درست پیش از بستهشدن یک حلقه زمانی، انرژی و تابش را آنقدر افزایش دهند که گلوگاه فروبپاشد. این ایده هنوز اثبات نشده است، اما بسیاری از مدلها نشان میدهند که کرمچالهها با نزدیکتر شدن به نقض علیت، ناپایدارتر میشوند. شاید جهان اجازه دهد فضا خم شود، اما نه آنقدر که معلول پیش از علت اتفاق بیفتد.
از فاصله دور، سیاهچاله و بعضی مدلهای نظری کرمچاله میتوانند بسیار شبیه یکدیگر دیده شوند. رفتار بیرونی هر دو تا حد زیادی 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 تصویر، ناحیهای تاریک با حلقهای روشن در اطراف آن ایجاد کنند. بنابراین، ظاهر یک جرم فشرده بهتنهایی برای تشخیص ماهیت واقعی آن کافی نیست.
تفاوت اصلی به افق رویداد مربوط میشود. سیاهچاله مرزی دارد که پس از عبور از آن، هیچ ماده یا نوری نمیتواند به بیرون بازگردد. اما یک کرمچاله قابلعبور نباید چنین افقی داشته باشد، زیرا نور و ماده باید بتوانند از گلوگاه عبور کنند و به دهانه دیگر برسند. اگر چیزی از سوی دیگر کرمچاله وارد شود یا مادهای پس از عبور از دهانه دوم بیرون بیاید، ممکن است اثرهایی ایجاد کند که در اطراف یک سیاهچاله معمولی انتظار نداریم.
یکی از راههای احتمالی شناسایی این تفاوت، بررسی عدسی گرانشی است. کرمچاله میتواند نور اجرام پسزمینه را به شکلی متفاوت خم و الگوهای خاصی از تصاویر چندگانه، حلقههای نوری یا تغییرات روشنایی ایجاد کند. حرکت ستارهها و گاز اطراف دهانه نیز ممکن است تحتتأثیر ماده یا میدان گرانشی موجود در سوی دیگر اتصال قرار بگیرد. بااینحال، بسیاری از این نشانهها میتوانند به دلایل معمولتری مانند توزیع پیچیده ماده، میدان مغناطیسی یا ساختار قرص برافزایشی نیز به وجود آیند.
امواج گرانشی راه دیگری برای جستوجو هستند. پس از برخورد دو جرم فشرده، جسم نهایی برای مدتی میلرزد و امواجی تولید میکند که به مرحله زنگش معروف است. اگر این جسم افق رویداد واقعی نداشته باشد، ممکن است بخشی از موج در نزدیکی سطح یا گلوگاه بازتاب شود و کمی دیرتر به آشکارساز برسد. چنین سیگنالهایی گاهی پژواک امواج گرانشی نامیده میشوند. اما مشاهده احتمالی یک پژواک، بهتنهایی اثباتکننده کرمچاله نیست؛ نویز آشکارساز و مدلهای دیگر اجرام فشرده نیز میتوانند اثرهایی مشابه ایجاد کنند.
تا امروز هیچ رصد قابلقبولی نشان نداده است که یکی از سیاهچالههای شناختهشده، کرمچاله باشد. برای پذیرفتن چنین نتیجهای باید نشانهای پیدا شود که نهتنها با مدل کرمچاله سازگار باشد، بلکه نتوان آن را با سیاهچاله، محیط اطراف آن یا دیگر اجرام فشرده توضیح داد. فعلاً کرمچاله یکی از احتمالات نظری است، اما سیاهچاله توضیحی است که با شواهد رصدی بسیار بیشتری سازگاری دارد.
در دهههای اخیر، کرمچالهها دیگر فقط بهعنوان میانبری فرضی برای سفر در کیهان بررسی نمیشوند. فیزیکدانان از آنها بهعنوان ابزاری نظری برای مطالعه یکی از بزرگترین مسائل فیزیک استفاده میکنند: چگونه میتوان نسبیت عام را با مکانیک کوانتومی ترکیب کرد؟
یکی از ایدههای مهم در این مسیر، ارتباط احتمالی میان هندسه فضاـزمان و درهمتنیدگی کوانتومی است. درهمتنیدگی حالتی است که در آن ویژگیهای دو سامانه کوانتومی به شکلی عمیق به یکدیگر وابسته میشوند، حتی اگر فاصله زیادی میان آنها باشد. با اندازهگیری یکی از این سامانهها میتوان درباره دیگری اطلاعات بهدست آورد، اما این ارتباط امکان ارسال آنی پیام یا عبور اطلاعات با سرعت بیشتر از نور را فراهم نمیکند.
پیشنهاد مشهور ER=EPR میگوید شاید پلهای اینشتین–روزن و سامانههای درهمتنیده، دو تصویر متفاوت از یک ارتباط بنیادیتر باشند. بخش ER به پل اینشتین–روزن و بخش EPR به درهمتنیدگی کوانتومی اشاره دارد. منظور این نیست که میان هر دو ذره درهمتنیده، تونلی واقعی و قابلعبور وجود دارد. این ایده بیشتر تلاشی برای توضیح این احتمال است که پیوندهای کوانتومی بتوانند در شکلگیری هندسه فضاـزمان نقش داشته باشند.
گام مهم دیگری با مدل گائو، جفریس و وال برداشته شد. آنها نشان دادند که در نوع خاصی از فضاـزمان، میتوان با ایجاد یک برهمکنش کوانتومی کنترلشده، پلی را که در حالت عادی قابلعبور نیست، برای مدت کوتاهی عبورپذیر کرد. این برهمکنش اثری شبیه انرژی منفی در گلوگاه ایجاد 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 مشخص در دوردست که از نظر ساختار با جهان در حال انبساط ما تفاوت دارد. در این شرایط ویژه، میتوان با یک برهمکنش کوانتومی کنترلشده، پل را برای مدت کوتاهی باز کرد و مقدار محدودی اطلاعات از آن عبور داد. این نتیجه از نظر نظری مهم است، اما به معنای امکان ساخت دروازهای فضایی، انتقال انسان یا سفر سریع به کهکشانهای دور نیست.
مدلهای دیگری نیز برای کرمچالههای چهاربعدی و حتی کرمچالههایی با نیروهای کشندی قابلتحمل برای انسان پیشنهاد شدهاند. اما این طرحها معمولاً به شرایط بسیار ویژهای مانند میدانهای کوانتومی خاص، سیاهچالههایی با بار الکتریکی بسیار زیاد، ابعاد اضافی یا ذراتی که هنوز کشف نشدهاند، نیاز دارند. پیدا کردن یک جواب سازگار در معادلات اهمیت نظری دارد، ولی ثابت نمیکند که مواد و شرایط لازم برای تشکیل آن در طبیعت وجود دارند.
در سالهای اخیر، برخی آزمایشها روی کامپیوترهای کوانتومی نیز با عنوان شبیهسازی کرمچاله معرفی شدهاند. در این آزمایشها هیچ تونلی در فضا ساخته نمیشود. پردازنده کوانتومی فقط رفتار 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 میان اجزای پردازنده است.
اهمیت این پژوهشها در ساخت فوری یک دروازه فضایی نیست. کرمچالهها به فیزیکدانان کمک میکنند رابطه میان گرانش، اطلاعات، درهمتنیدگی و هندسه فضاـزمان را دقیقتر بررسی کنند. شاید نتیجه نهایی این پژوهشها نشان دهند که کرمچالههای واقعی هرگز قابل ساخت نیستند، اما همین مدلها میتوانند سرنخهایی مهم درباره ماهیت گرانش کوانتومی و ساختار بنیادی جهان در اختیار ما قرار دهند.
درحالحاضر هیچ مدرک رصدی برای وجود کرمچالهها نداریم و هیچ روش شناختهشدهای نیز برای ساخت آنها وجود ندارد. بااینحال، کرمچالهها فقط خیالپردازی علمی نیستند؛ آنها پاسخهایی جدی در بعضی مدلهای نسبیت هستند و به فیزیکدانان امکان میدهند دشوارترین پرسشهای مربوط به فضاـزمان، اطلاعات و گرانش کوانتومی را بررسی کنند. شاید روزی نمونهای از آنها پیدا شود و شاید هم قوانین طبیعت نشان دهند که چنین گذرگاههایی هرگز نمیتوانند پایدار بمانند. در هر دو صورت، مطالعه کرمچالهها چیزهای مهمی درباره ساختار جهان به ما خواهد آموخت.
