نجوم به زبان آدميزاد
اين روزها در فيلم هاي تخيلي يا حتي کمدي بسيار مي بينيم که افرادي در زمان سفر مي کنند و به گذشته يا آينده مي روند. بسياري از مردم معتقدند در آينده بشر به فناوري سفر در زمان دست خواهد يافت. هر چند به طور نظري مي توان در اين مورد اظهار نظر کرد اما آنقدر فراهم کردن شرايط لازم براي سفر در زمان با واقعيات تجربي فاصله دارد که بيشتر دانشمندان انتظار ندارند حتي در آينده «ماشين زمان» اختراع شود!
براي درک بهتر مفهوم سفر در زمان، بايد در نظر داشته باشيم که زمان، مانند فضا يک «بُعد» است. بعد به حداقل تعداد اعدادي مي گويند که براي توصيف يک پديده نياز داريم. براي رخ دادن يک پديده زمان را هم بايد در نظر بگيريم. براي مثال هنگامي که با دوستتان قرار ملاقات داريد، علاوه بر سه بعد فضايي، زمان را هم تعيين مي کنيد. اگر به اين «بُعد» توجه نداشته باشيد، ممکن است ملاقات شما هرگز صورت نگيرد! درک سه بعد فضا کار مشکلي نيست اما چطور زمان هم يک «بُعد» به حساب مي آيد؟ فرض کنيد از حرکت مورچه بر صفحه ي کاغذ فيلم برداري کرده ايد. در اينجا فضايي که مورچه امکان حرکت در آن 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 (y,x) 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.
مسأله ي 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 ي پارچه را در دست دارند و آن را چنان محکم کشيده اند که پارچه تقريباً به صورت يک صفحه ي تخت درآمده 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 دوبعدي 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 دارد، خميده مي شود و در اين فضاي جديد، ديگر کوتاه ترين مسير، خط راست نيست.
البته مثال مورچه و سنگ کاملاً با آنچه 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 ي 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 پر جرم است؛ زيرا نور براي طي فاصله اي بين دو نقطه، سريع ترين مسير را انتخاب مي کند. اين مسأله را در شکست نور هنگام عبور از محيطي شفاف به محيط شفاف ديگر، ديده ايم.
بنابراين اگر جرم، فضا را خميده کند، مسير نور بايد هنگام عبور از کنار جسمي پر جرم، منحرف شود. اين مسأله را اينشتين در سال 1916 مطرح کرد. اما آزمودن آن کار آساني نبود زيرا بايد مسير نور را در نزديکي جسمي پر جرم مانند خورشيد بررسي کنيم. اما پرتوهاي نور اجسامي که نزديک خورشيد ديده مي شوند، در فروغ خورشيد، قابل تشخيص نيستند. در خورشيد گرفتگي ماه مه سال 1919، ادينگتون توانست جابه جايي موقعيت ستاره هاي نزديک خورشيد را اندازه گيري کند؛ به اين طريق، نسبيت عام به طور تجربي نيز اثبات شد.
نيوتون معتقد بود که زمان مطلق است، يعني براي همه ي افراد، هر جا که باشند، يکسان مي گذرد اما در سال 1905 اينشتين در نظريه نسبيت خاص خود نشان داد که اگر ناظري حرکت شتابدار داشته باشد، زمان براي او کندتر مي گذرد. براي مثال، اگر شما زمين را با سرعتي نزديک سرعت نور ترک کنيد و بعد از چند روز مطابق گذر زمان در فضاپيمايتان به زمين باز گرديد، خواهيد ديد روي زمين هزاران سال گذشته است. نسبيت خاص ديدگاه فيزيکدانان را در مورد زمان تغيير داد. اما اين نظريه به حرکت
مستقيم الخط يکنواخت محدود مي شد. درسال 1915 اينشتين نظريه ي جديدي ارائه کرد که در واقع تعميم نسبيت خاص براي حرکت شتابدار بود. او همچنين نشان داد که شتاب و گرانش بسيار با هم مرتبط هستند. اگر شما داخل يک فضاپيما، به دور از هر جرمي، با شتاب زياد حرکت کنيد، درست مانند اين است که در کنار جرمي با گرانش بسيار زياد، بدون حرکت قرار داشته باشيد. شايد اين موضوع را بتوانيم با يک آسانسور بهتر توضيح دهيم. اگر داخل آسانسوري روي زمين، ساکن باشيد و سيبي را رها کنيد، سيب به پايين سقوط مي کند. اما اگر در فضايي دور از زمين و هر جرم ديگري، آسانسور با شتاب به سمت بالاي سرتان حرکت کند، بازهم اگر سيبي را رها کنيد، از ديد شما به نظر مي رسد که با شتاب به سمت کف آسانسور سقوط مي کند!
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 مي کنيم و در نتيجه ساعت ها کندتر کار مي کنند. 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 پُرجرمي هستند اما چون چگالي نسبتاً زيادي ندارند، انحراف نور در ميدان گرانش آن ها خيلي زياد نيست. نور ستاره هاي نزديک به خورشيد فقط حدود 1 ثانيه ي قوسي منحرف مي شود. ستاره هاي پر جرم در پايان عمرشان به صورت ابرنواختر 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 فروريزش به درون آن و پيش از آنکه ناپديد شوند، پرتوهاي ايکس و گاماي پُر انرژي تابش مي کنند. با اينکه در شرايط معمولي از درون سياه چاله ها هيچ پرتويي 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 آنکه بتوانيم آن را به مقدار کافي فشرده کنيم. 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 ي دماوند يا اورست يا کل ايران را چطور؟ حالا تصور کنيد کل کره ي 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 پرتوي 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 نسبت عام و رياضيات پيشرفته، مي توانيم فضا- زمان آن را بررسي کنيم. در سال 1930/1309 اينشتين و همکارش روسن نشان دادند که سياه چاله مي تواند عالم را به عالم ديگري که کاملاً با عالم ما متفاوت است، متصل کند. هنگامي که وارد سياه چاله مي شويم، در واقع وارد تونلي قيف مانند با فضا - زماني 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 پل اينشتين - روسن ناميده شده بود، بعدها کرم چاله نام گرفت. تصوير 6 کرم چاله اي را نشان مي دهد که صفحه ي بالايي که عالم ماست را با يک تونل، به عالمي موازي که در صفحه ي پاييني است متصل مي کند. دو صفحه ي 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 آن ها، 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 و زمان متفاوت در همين عالم متصل کند. تصوير 7 شمايي از چنين کرم چاله اي را نشان مي دهد.
در حقيقت سفر در فضا - زمان به آساني آنچه که در شکل هاي 6 و 7 تصوير شده است نيست! مشکل اول اين است که نزديک ترين سياه چاله هزاران سال نوري از ما فاصله دارد! و براي ما معلوم نيست که سياه چاله به کجا منتهي مي شود و اصلاً آيا به جايي منتهي مي شود؟
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 بيشتر از سرعت نور داشته باشيم. ساده ترين سياه چاله ها، سياه چاله هايي هستند که چرخش و بار الکتريکي ندارند و به افتخار اخترشناس آلماني که به توصيف هندسه ي اين گونه سياه چاله ها پرداخته است، شوارتز شيلد ناميده مي شوند. محاسبه ي شعاع افق رويداد و گرانش سياه چاله ي شوارتزشيلد براي اخترشناسان خيلي مشکل نيست. اما معمولاً سياه چاله ها ساده نيستند زيرا از ستاره هايي به وجود مي آيند که به دور خود مي چرخند و بار الکتريکي قابل توجهي دارند. بار و حرکت دوراني در انفجار ابونواختري از بين نمي روند بنابراين سياه چاله اي حاصل از اين ستارگان پر جرم، سياه چاله اي چرخان خواهد بود. هيچ جسم و پرتويي نمي تواند از سياهچاله ي شوارتز شيلد 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 هم خيلي سياه نيستند! برخي دانشمندان آن ها را سفيد چاله ناميده اند. اکنون 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 گرانش، نيرويي که به قسمت هاي مختلف نزديک تر جسم نيروي بيشتر و به قسمت هاي دورتر، نيروي کمتري وارد مي شود. به اختلاف اين نيروها، نيروي کِشنَدي مي گويند. اگر ميدان گرانش 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 بعدي اين است که کرم چاله هاي دوامي ندارند و علاوه بر اينکه ممکن است بِرُمبَند و فضاپيما و مسافران درونش را له کنند، حتي اگر فضاپيما بتواند به سلامت از درون کرم چاله عبور کند، ديگر راه برگشتي نخواهد داشت چون کرم چاله فوراً 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 ي عالم شکل گرفته اند و با سياه چاله هايي که از مرگ ستاره به وجود مي آيند بسيار متفاوت اند. در اين سياه چاله هاي نخستين، جرمي معادل چند ميليون تُن در ابعادي به کوچکي يک اتم فشرده شده است و ذره و تابش هاي مرگبار گسيل مي کنند. گذشته از آن، ما حتي نمي توانيم حرکت لايه هاي سطح زمين را، که موجب زلزله مي شوند، کنترل کنيم، ديگر چه برسد به کنترل جسمي کوچک مثل زمين (کوچک نسبت به ابعاد نجومي!) و چه برسد به کنترل يک سياه چاله! 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، نياز به تحقيق درباره ي کرم چاله ها داشت. کارل ساگان (اخترشناسي که روي طرح ارتباط با موجودات فرازميني از طريق پرتوهاي راديويي کار مي کرد) در دهه ي 1980/1360 داستان تماس را نوشت. در اين داستان دانشمندي با روشي، که از موجودات فرا زميني فرا مي گيرد، ماشيني براي سفر در فضا - زمان مي سازد و از يک کرم چاله عبور مي کند. ساگان از کيپ تورن خواست تا داستانش را از نظر علمي بررسي کند. تورن که مايل بود به ساگان کمک کند، به بررسي پاسخ هاي ممکن براي معادلات نسبيت عام اينشتين پرداخت و توانست پاسخي بيايد 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 ي ما و آزمايش هاي معمولي، بسيار ناچيزند. اگر بتوانيم از فشار براي ايجاد گرانش استفاده کنيم، مي توانيم کرم چاله ها را براي مدتي باز نگه داريم تا مسافران به سلامت از آن عبور کنند.
همچنين مي توانيم اثرات نيروهاي کشندي را کاهش دهيم. براي اين کار بايد ماده ي جديدي بيابيم که اطراف کرم چاله را با آن بپوشانيم. اين ماده بايد چنان کنش گرانشي اي به خارج ايجاد کند که فشار گرانشي کرم چاله را خنثي کند. حتي اگر روزي بشر بتواند به چنين ماده اي دست يابد، عبور از کرم چاله براي سفر در زمان کافي نخواهد بود و ما بايد بتوانيم کرم چاله را به ماشين زمان تبديل کنيم. در سال 1986/1365 تامس رومن به موريس و تورن پيشنهاد داد براي تبديل کرم چاله به ماشين زمان از نسبت خاص استفاده کنند. يکي از نتايج نسبيت خاص، پارادوکس يا تناقض دوقلوهاست.
اگر دختري که برادر دو قلو 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 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 ي ديگر برگردد، کرم چاله ي ما تبديل به ماشين زمان مي شود، زيرا ساعت هايي که در دهانه ي ساکن قرار دارند، نسبت به ساعت هايي که در دهانه ي متحرک هستند، بسيار کندتر کار مي کنند. با تعيين مدت زمان سفر و سرعت حرکت دهانه ي کرم چاله مي توانيم مشخص کنيم که چقدر در زمان سفر کنيم. اگر از دهانه ي متحرک وارد و از دهانه ي 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 ي کرم چاله، سفر کنيم مگر اينکه در گذشته هاي دور، تمدني باستاني ماشين زمان را اختراع کرده باشند و ما با استفاده از دهانه ي کرم چاله ي آن ها به گذشته سفر کنيم.
اما آيا حرکت دادن 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 در آوريم. همچنين مي توانيم از گرانش يک سيارک پر جرم يا يک کوتوله ي قهوه اي براي اين کار استفاده کنيم.
البته تمام تحقيقات دانشمندان درباره ي سفر در زمان، فقط و فقط به طور نظري و روي کاغذ است و ما حتي يکي از شرايط سفر در فضا - زمان را هم نمي توانيم مهيا کنيم؛ اينکه 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 کاملاً غير منطقي است! تصورش را بکنيد که اگر بتوانيد با کرم چاله سفر کنيد و به گذشته برويد، در اين صورت خودتان را در چند سال پيش ملاقات خواهيد کرد. سپس درحالي که با خودتان درباره ي خاطرات شيرين گذشته صحبت مي کنيد، با هم کرم چاله ي ديگري مي يابيد و در آن سفر مي کنيد و دو تا «خود» قديمي تر را ملاقات مي کنيد! در واقع در آنِ واحد سه کپي 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 آن ها بايد يکسان باشند؟
مشکل ديگر، اتفاقاتي هستند که علت و معلول اند مثلاً يکي از نواده هاي چنگيزخان مغول متوجه جنايات جدّش مي شود و به گذشته سفر مي کند تا او را از ميان بردارد. اگر جدّ او در زمان گذشته کشته شود، پس قاتل هرگز به دنيا نخواهد آمد که به گذشته برود و جدّش را به قتل برساند! يکي از بزرگ ترين پرسش هايي که درباره ي ماشين زمان مطرح مي شود اين است که آيا شخصي که در زمان سفر مي کند، مي تواند تاريخ را تغيير دهد؟
استيون هاوکينگ درباره ي سفر در زمان عقيده ي 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: نشريه نجوم، شماره 192.