کرم‌چاله‌ها و سیاه‌چاله‌ها نمایانگر ماهیت فراتر از مرزهای اخترفیزیک هستند. اگرچه کرم‌چاله‌ها و سیاه‌چاله‌ها متفاوت هستند، اما بینشی در مورد ماده تاریک، انرژی تاریک، تابش، چرخه حیات ستارگان و دینامیک کهکشان‌ها ارائه می‌دهند. پیچیدگی‌های آنها را بیاموزید تا تفاوت‌های آنها را درک کنید.

کرم‌چاله چیست؟

کرم‌چاله‌ها ساختارهای فضایی فرضی هستند که به عنوان رابط بین دو نقطه جداگانه در فضا-زمان عمل می‌کنند.
کرم‌چاله شامل تونلی با دو انتها است که در مکان‌ها، زمان‌ها، جهان‌ها یا ابعاد مختلف باز می‌شوند. به طور بالقوه، این امر امکان سفر سریع‌تر از نور (FTL) را فراهم می‌کند و مبتنی بر پل‌های انیشتین-روزن است. آلبرت انیشتین و ناتان روزن برای اولین بار ایده کرم‌چاله‌ها را در سال ۱۹۳۵ معرفی کردند، اما اصطلاح "کرم‌چاله" توسط جان ویلر در دهه ۱۹۵۰ ابداع شد. از آن زمان، بسیاری از محققان احتمال وجود کرم‌چاله‌ها را بررسی کرده‌اند، از جمله ماریا اسپیروپولو که با تیم خود در سال ۲۰۲۲ برای ایجاد یک «پروتکل تله‌پورت کرم‌چاله» با استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی همکاری کرد.

آیا کرم‌چاله‌ها وجود دارند؟

نظریه نسبیت عام انیشتین همراه با نظریه الکترومغناطیسی جیمز کلرک ماکسول، انیشتین را به همکاری با روزن بر روی نظریه میدان الکترون سوق داد. نظریه الکترومغناطیسی ادعا می‌کند که نور از طریق میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به صورت موج حرکت می‌کند. نظریه میدان الکترون یا نظریه میدان کوانتومی، نحوه رفتار و تعامل ذرات را توصیف می‌کند.
میدان‌های الکترونی پر از ذراتی هستند که به صورت سیال مانند در فضا امتداد می‌یابند. با این ادعا، انیشتین و روزن معادله سیاه‌چاله، معروف به راه‌حل شوارتزشیلد، را در نظر گرفتند که از مختصات کروی و زمان برای تعیین شعاع یک توزیع جرم کروی متقارن (یا سیاه‌چاله) استفاده می‌کند. با این کار، آنها یک سیاه‌چاله را بدون ناحیه‌ای که شامل تکینگی انحنا (یا نقطه‌ای که گرانش آنقدر قوی می‌شود که خود فضا-زمان را تجزیه می‌کند)  است، محاسبه کردند.
این امر سیاه‌چاله‌های شوارتزشیلد را به کرم‌چاله تبدیل کرد. انیشتین و روزن نظریه‌پردازی کردند که کرم‌چاله‌ها، سیاه‌چاله‌هایی هستند که به جای رسیدن به تکینگی انحنایی، امکان اتصال تونل‌های الکترومغناطیسی بین ورودی و خروجی را دارند. بنابراین، کرم‌چاله‌ها افق رویداد یا مرز نقطه‌ای که هیچ نوری نمی‌تواند از آن فرار کند، ندارند.
در حالی که کرم‌چاله‌ها طبق گفته انیشتین، روزن و نظریه‌پردازان پس از آن امکان‌پذیر هستند، تاکنون در فضا مشاهده نشده‌اند. در عوض، آنها به عنوان یک نقطه مرجع جذاب عمل می‌کنند که اخترفیزیکدانان می‌توانند در مورد پیچیدگی‌های فضا و نحوه حرکت ماده در آن نتیجه‌گیری یا تحقیقات بیشتری انجام دهند.

انواع کرم‌چاله‌ها

انواع نظری مختلفی از کرم‌چاله‌ها وجود دارد، اما چهار دسته اصلی عبارتند از:

• غیرقابل عبور: وقتی ذرات در وسط به هم می‌رسند، فرو می‌ریزند و از عبور هر چیزی از آنها جلوگیری می‌کنند.
• قابل عبور: حاوی ماده عجیب و غریب با چگالی انرژی منفی هستند و از نظر تئوری به ماده اجازه عبور از آنها را می‌دهند. 
• درون-جهانی: دو نقطه را در یک جهان به هم متصل کنید.
• بین-جهانی: دو نقطه را در جهان‌های مختلف به هم متصل کنید.

در این دسته‌ها چندین زیرگروه وجود دارد، مانند لورنتزی غیرقابل عبور و اقلیدسی. این دو نوع در سال ۱۹۵۷ توسط جان ویلر بر اساس منیفولدهای فضا-زمان مربوطه‌شان نامگذاری شدند. کرم‌چاله‌های لورنتزی از نسبیت عام و کرم‌چاله‌های اقلیدسی از فیزیک ذرات استفاده می‌کنند. اگر کسی بتواند یک کرم‌چاله لورنتزی را باز نگه دارد، می‌تواند از نظر تئوری یک "ماشین زمان" ایجاد کند. بسیاری از انواع دیگر کرم‌چاله‌ها در تحقیقات و همچنین داستان‌های علمی تخیلی، تئوریزه و مورد بحث قرار گرفته‌اند.

کاربردهای بالقوه کرم‌چاله‌ها

از نظر حدسی، کرم‌چاله‌ها می‌توانند امکان سفر "آنی" بین جهان‌ها، هر نقطه‌ای در یک جهان، نقاط در زمان و ابعاد مختلف را فراهم کنند. با سفر با سرعت نور، افراد قادر خواهند بود بدون هیچ تأخیر قابل درکی، زمان و مکان را طی کنند. پیامدهای این امر شامل سفر در زمان، ارتباطات بین ابعادی و سفرهای بین ستاره‌ای است که امکان تحقیقات عظیم و فرصت‌های تجربی را فراهم می‌کند. کرم‌چاله‌ها، در اصل، می‌توانند بافت هستی را تغییر دهند.
با این حال، چالش‌ها واضح هستند. اگرچه کرم‌چاله‌ها را می‌توان از طریق معادلات و ساخت رایانه تکرار کرد، اما در طبیعت یا آزمایشگاه‌ها مشاهده نشده‌اند. حتی اگر وجود داشته باشند، به مقادیر عظیمی از ماده عجیب و غریب با انرژی منفی نیاز دارند که وجود آن صرفاً نظری است. علاوه بر این، ممکن است سفر انسان از طریق کرم‌چاله‌ها به دلیل کشش‌های گرانشی شدید و قرار گرفتن در معرض تابش، ناامن باشد. این موانع قابل توجه هستند، اما به محققان مواد زیادی برای تلاش ارائه می‌دهند.

سیاه‌چاله چیست؟

در مقابل، سیاه‌چاله‌ها شواهد ملموسی برای اثبات وجود خود دارند. این مناطق کروی که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از آنها فرار کند، معمولاً زمانی تشکیل می‌شوند که ستارگان عظیم سوخت هسته‌ای خود را تمام می‌کنند. هنگامی که آنها فرو می‌ریزند، یک انفجار ابرنواختری می‌تواند رخ دهد و یک هسته متراکم از خود به جا بگذارد که می‌تواند به چیزی تبدیل شود که ما به عنوان سیاه‌چاله می‌شناسیم. این تنها در صورتی اتفاق می‌افتد که جرم کافی باشد.
سیاه‌چاله‌ها با افق‌های رویداد که سطح آنها را تشکیل می‌دهند یا مرزهایی که نقطه‌ای را مشخص می‌کنند که فراتر از آن هیچ چیز نمی‌تواند فرار کند، مشخص می‌شوند. تکینگی انحنایی هسته سیاه‌چاله‌ها است که در آن ماده تا چگالی بی‌نهایت فشرده می‌شود. قرص‌های برافزایشی یکی دیگر از جنبه‌های کلیدی سیاه‌چاله‌ها هستند. آنها دیسکی از ماده داغ و درخشان هستند که به دلیل گرانش و اصطکاک شدید، تابش ساطع می‌کنند.

شواهد مشاهده‌ای برای سیاه‌چاله‌ها شامل موارد زیر است:

• امواج گرانشی: "موج‌هایی" در فضا-زمان که با سرعت نور حرکت می‌کنند و زمانی که دو سیاه‌چاله با هم برخورد کرده و ادغام می‌شوند، شناسایی می‌شوند.
• تصاویر تلسکوپ افق رویداد: تصاویر واقعی از افق‌های رویداد سیاه‌چاله و سایه‌های آنها، از جمله اولین سیاه‌چاله ثبت‌شده در کهکشان M87؛
• انتشار پرتو ایکس: تابش الکترومغناطیسی قابل مشاهده که در طول برافزایش رخ می‌دهد، زمانی که ماده به درون یک سیاه‌چاله سقوط می‌کند و گرم می‌شود.

فیزیک سیاه‌چاله‌ها

قوانین فیزیک که ما می‌شناسیم، درون سیاه‌چاله‌ها تجزیه می‌شوند. نیروهای گرانش آنقدر قوی می‌شوند که حتی نور هم نمی‌تواند از آنها فرار کند. این کشش گرانشی توسط نظریه نسبیت عام انیشتین توضیح داده می‌شود که توصیف می‌کند چگونه اشیاء عظیم، فضا-زمان را خم می‌کنند. این و شعاع شاورتزشیلد یا مرزهای سیاه‌چاله‌ها، اصول کلیدی فیزیک آنها هستند که برای درک اندازه و رفتار این پدیده‌ها بسیار مهم هستند.

انواع سیاه‌چاله‌ها

چهار نوع سیاه‌چاله بر اساس جرم آنها طبقه‌بندی می‌شوند، از جمله:

• جرم متوسط: بین جرم سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای و ابرجرم، که تصور می‌شود از صدها تا هزاران جرم خورشیدی متغیر باشد.
• اولیه: با اندازه‌های مختلف؛ طبق نظریه‌ها، اندکی پس از خلقت جهان رخ داده‌اند.
• سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای: از فروپاشی ستارگان عظیم تشکیل شده‌اند و جرم آنها از چند تا ده‌ها برابر جرم خورشید متغیر است.
• سیاهچاله‌های ابرپرجرم: در مراکز کهکشان‌ها وجود دارند و اندازه آنها از صدها هزار تا میلیاردها برابر جرم خورشید متغیر است.

سیاهچاله‌های ستاره‌ای و ابرپرجرم تنها انواع قابل مشاهده هستند. سیاه‌چاله‌های با جرم متوسط، شکاف موجود در اندازه‌ها را توضیح می‌دهند و سیاه‌چاله‌های اولیه از نظر تئوری، عمدتاً از سپیده دم زمان تبخیر شده‌اند.

تأثیر بر محیط اطراف

به دلیل کشش گرانشی عظیم سیاه‌چاله‌ها، آنها ماده اطراف خود را به درون خود می‌کشند. سپس این ماده گرم می‌شود و اشعه ایکس و سایر تشعشعات شدید را ساطع می‌کند. بنابراین، سیاه‌چاله‌ها بر شکل‌گیری و تکامل ستارگان و کهکشان‌ها تأثیر می‌گذارند. این نظریه مطرح شده است که به دلیل اثرات کوانتومی در نزدیکی افق رویداد، تشعشعات بیشتری می‌تواند ساطع شود. این تابش هاوکینگ نامیده می‌شود و نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌ها به مرور زمان جرم و انرژی خود را از دست می‌دهند و در نهایت باعث تبخیر آنها می‌شوند.

تفاوت‌های کلیدی بین سیاه‌چاله‌ها و کرم‌چاله‌ها

کرم‌چاله‌ها تونل‌های فرضی هستند که نقاط مختلف فضا-زمان را به هم متصل می‌کنند. سیاه‌چاله‌ها مشاهده شده‌اند و تونل ندارند. شواهد حاصل از فروپاشی ستارگان عظیم، این موضوع را به خوبی تأیید می‌کند. آن‌ها اجازه خروج هیچ چیزی را به روشی که کرم‌چاله‌ها ادعا می‌کنند، نمی‌دهند.

تفاوت‌های ساختاری

کرم‌چاله‌ها به صورت فرضی فضا-زمان را خم می‌کنند تا میانبرهایی در فضا ایجاد کنند و سفر FTL را ممکن سازند. سیاه‌چاله‌ها همچنین فضا-زمان را تحریف می‌کنند، اما ماده را مصرف می‌کنند، بر محیط اطراف خود تأثیر می‌گذارند و تابش ساطع می‌کنند. این به دلیل تفاوت ساختاری است که در آن کرم‌چاله‌ها فاقد تکینگی انحنا هستند.

پیامدهای علمی و فناوری

مطالعه کرم‌چاله‌های نظری بر درک فضا-زمان تأثیر می‌گذارد و می‌تواند به طور بالقوه سفر و ارتباط FTL را در آینده ممکن سازد. این ممکن است منجر به پیشرفت‌هایی در فیزیک کوانتومی شود. مشاهده سیاه‌چاله‌ها می‌تواند بینش لازم برای انجام این کار را فراهم کند.