کریستوفر نولان که قبلا توانایی بالای خود را در داستان پردازی و تخیل نشان داده بود، در فیلم میانستارهای هم خوش درخشیده و عملکردی بیادماندنی از خود برجای گذاشته است. این فیلم علاوه بر کارگردانی بینظیر و موزیک متن فراموشنشدنی، از دقّت علمی بالایی نیز برخوردار است و مفاهیم مختلفی از فیزیک نوین را به تصویر میکشد.
داستان این فیلم رابطه بسیار تنگاتنگی با نظریه نسبیت دارد که اوّلینبار توسّط آلبرت انیشتین پایهگذاری شد. میتوان گفت که این نظریه به توضیح چگونگی رفتار کیهان میپردازد. طبق فیزیک کلاسیک (نیوتنی) زمان همیشه با نرخ ثابتی در حال گذر بوده و فضا (سه محور x و y و z) نیز همیشه فرم یکسانی دارد. اینها چیزهایی هستند در نگاه اوّل بدیهی به نظر میرسند؛ امّا نه در نظریه نسبیت!
دانشمندان شروع فضای میانستارهای را جایی تعریف میکنند که جریان ثابت مواد و میدان مغناطیسی خورشید بر محیط اطرافش اثر نمیگذارد؛ به این ناحیه منطقه توقف خورشیدی[1] میگویند که در واقع مرز هورسپهر[2] است.
آنچه از نظریه نسبیت برای درک فیلم میان ستارهای لازم است بدانید، این است که هر جسمِ دارای جرم، فضای اطراف خود را خم میسازد، باعث ایجاد جاذبه میشود و طبعاً باعث اتّساع زمان نیز میشود. به بیان دیگر هرچقدر تحت میدان گرانشی شدیدتری باشید، زمان نیز برای شما کندتر میگذرد. تحت میدانهای گرانشی بسیار قوی، اتّساع و کش آمدن زمان به طرز قابل ملاحظهای افزایش پیدا میکند. یکی از قویترین منابع گرانشی نیز سیاهچالههای فضایی میباشند. امّا سیاهچاله[3] چیست؟
سیاهچاله / سفیدچاله
با تجمّع جرم بسیار زیادی از هیدروژن در یک نقطه، ستاره متولّد میشود. این جرم زیاد، گرانش بسیاری ایجاد کرده و تمایل دارد ستاره را در هم فروریخته و فشرده کند. امّا واکنش همجوشی هستهای میان اتمهای تشکیل دهنده ستاره، انرژی عظیمی آزاد کرده که تمایل به منفجر کردن ستاره از درون را دارد. این دو نیرو در تقابل باهم، ستاره را در تعادل نگه میدارند. با کاهش هیدروژن و هلیوم موجود در ستاره و تبدیل آن به عناصر سنگینتر در طی این واکنش، به تدریج نیروی گرانش شروع به غلبه کردن میکند. در نهایت عمر ستاره به پایان رسیده و منفجر میشود و آنچه از ستاره باقی میماند، به شدّت فشرده میشود.
ستارهای در ابعاد خورشید، پس از مرگ تبدیل به یک کوتوله سفید و ستارههای بزرگتر نیز تبدیل به ستاره نوترونی میشوند (بسیار فشرده به طوری که یک قاشق چایخوری از یک ستاره نوترونی حدود 900 تن جرم دارد). امّا ستارگان بسیار بزرگتر، سرنوشت متفاوتی پس از مرگ دارند. آنها به واسطهی جرمِ زیاد خود، آنقدر فشرده شده که دارای گرانشی بسیار بسیار زیاد میشوند. در حدّی که حتّی سرعت نور نیز برای فرار از سطح آنها کافی نمیباشد. به همین دلیل، آنها کاملاً تاریک بوده و هیچ نوری را از خود بازتاب نمیدهند. به این اجرام، سیاهچاله گفته میشود. در عمل هر جسمی که به اندازهی کافی فشرده شود میتواند به یک سیاهچاله بدل گردد. برای مثال اگر کلّ سیارهی زمین را بدون از دست دادن جرم، در ابعاد یک فندوق فشرده کنیم، یک سیاهچاله خواهیم داشت.
هر سیاهچاله دارای مرزی موسوم به افقِ رویداد[5] است. ورای افق رویداد، گرانش به حدّی زیاد بوده که سرعت نور نیز برای فرار از سیاهچاله کافی نمیباشد و هرچیزی که از افق رویداد عبور کند دیگر راهی برای برگشت ندارد. امّا پیش از افق رویداد، در صورتی که سرعت خطّی کافیای داشته باشید میتوانید در مدار سیاهچاله باقی بمانید. لذا امکان وجود سیّاراتی در اطراف یک سیاهچاله نیز وجود دارد. حتّی در مرکز بسیاری از کهکشانها از جمله کهکشان خودمان نیز اَبَرسیاهچالههایی وجود دارند. برای مثال، ابَرسیاهچاله مرکزی کهکشان خودمان یعنی کهکشان راهشیری، Sagittarius A نام دارد و تمامی ستارگان کهکشان راهشیری از جمله خورشید و به همراه کلّ منظومه شمسی حول آن در گردش میباشند.
سیاهچالهها به اندازهای گرانش دارند که اتّساع زمان در اطراف آنها به شدّت قابل لمس میشود. به گونهای که ممکن است هر ساعت در اطراف آنها به درازای چندین سال، دهه یا قرن به درازا انجامد. البته این موضوع را نیز در نظر داشته باشید که رابطه میان شتاب گرانشی و فاصله از منبع گرانش نیز خطّی نمیباشد و برای مثال زمانی که فاصله خود از منبع گرانش را دوبرابر کنید، شدّت گرانش به یک چهارم کاهش مییابد.
به غیر از اتّساع و کِش آمدن زمان، پدیدههای متفاوت دیگری نیز برای سیّارات اطراف یک سیاهچاله رخ میدهد. برای مثال در صورتی که سیّارههای حاوی عنصر یا ترکیبی مایع بوده و در نزدیکی سیاهچاله قرار گیرد، جذر و مدهایی بسیار عظیم را تجربه خواهد کرد و امواج غولپیکری در سطح آن شکل خواهد گرفت.
نکته جالبی بعدی این است که مطابق نسبیت عام، زمان تنها چیزی نیست که تحت میدان گرانشی اتّساع میابد بلکه خودِ ابعاد فضا نیز تحت تأثیر قرار میگیرند. درواقع هر جسم دارای جرمی، ابعاد کیهان اطراف خود را خم کرده و این خمش است که منجر به ایجاد شتاب گرانشی و جاذبه میگردد.
تجسّم خم شدن یک فضای سهبعدی (طول، عرض، ارتفاع) در ذهن ما موجودات سهبُعدی و یا نمایش آن روی کاغذ ناممکن است و فقط به زبان ریاضیات میتوانیم راجع به آن سخن بگوییم. امّا صرفاً برای درک بهتر، میتوان بجای سه بُعد، فضا را دو بُعدی (فقط شامل طول و عرض) در نظر گرفت و از بُعد سوّم (ارتفاع) جهت نمایش خمیدگی دو بُعد دیگر بهره جست. در این صورت، حاصل تصویری به شکل روبرو میشود: ستارهای که فضای اطراف خود را خم کرده است و سیّارهای نیز در مدار آن قرار دارد.
در سال ۱۹۱۶ و در اوایلی که انیشتین نظریه نسبیت را منتشر کرد، فیزیکدانی به نام لودویک فلام[6]، نوع خاصی از سیاهچالهها را بررسی و معرفی کرد. این نوع سیاهچالهها تحت عنوان سیاهچاله شوارتزشیلد شناخته میشوند. فلام هنگام بررسی این راهحل، متوجه شد که پاسخی متفاوت را میتوان برای این میدان در نظر گرفت که توصیفکننده پدیدهای جدید است. این پدیده بعدها سفیدچاله[4] نامگذاری شد. سفیدچاله توصیفکننده بستری است که عکس سیاهچاله، هر مادهای که به سمت آن میآید را دفع میکند. این فضا همچنین از نظر زمانی نیز عکس سیاهچاله است. افرادی معتقدند که در سمت دیگر یک سیاهچاله، سفیدچاله قرار دارد. در حقیقت این افراد فکر میکنند که مواد بلعیده شده توسط یک سیاهچاله در سمت دیگر آن و در سفیدچاله به سمت بیرون پرتاب میشود. بسیاری از تفکرات ما در مورد مفهوم مهبانگ[7] نیز ناشی از همین مفهومِ سفیدچاله است.
کرمچاله
همانطوریکه در بخش قبلی عنوان شد پس از ارائه نظریه نسبیت عام توسط انیشتین در سال ۱۹۱۵، یک سال بعد فلام با ارائه راه حلی برای معادلات انیشتین، مفهوم سفیدچاله را ایجاد کرد. سفید چاله برعکس سیاه چاله است و در آن زمان به عقب حرکت میکند. پس از یک دهه تلاش، انیشتین اعلام کرد که اجرام بزرگ میتوانند بافت فضا زمان را خم کنند. نتیجه این اختلال نیز گرانش خواهد بود. انیشتین در همکاری با روزن اعلام کرد که شاید پلهایی بین فضا زمان وجود داشته باشند. این پلها میتوانند مسافتهای بسیار طولانی بین دو نقطه را نزدیک کرده و بدین ترتیب سفر فضایی بین آنها را ممکن کنند. این میانبر نجات دهنده در نهایت کرمچاله[8] نام گرفت. اجازه دهید توضیح بیشتری بدهم.
طبق نظریه نسبیت عام، فضا میتواند خم شود. همان فضای دوبُعدی که از آن صحبت شد را در نظر بگیرید و آن را به صورت یک پارچه کِشباف تجسّم کنید. این پارچه را میتوان کشید، فشرده کرد، خم کرد، تا کرد و یا مچاله کرد. فرض کنید منیر و اِلی (دو شخص فرضی) دو موجود دوبُعدیِ ساکن این کیهان دوبُعدی هستند و یکی در کره زمین و دیگری در کهکشانی دیگر در 55 میلیون سال نوری فاصله با زمین مستقر هستند. هرکدام که بخواهد دیگری را ببیند، باید نزدیکترین مسیر را که خطّ مستقیمی به فاصله 55 میلیون سال نوری است را طی کند. حال اگر این کیهانِ پارچهمانندِ شامل دو راستای x و y، طوری در راستای z خم شود که موقعیت مکانی منیر و اِلی به اندازه 1 سانتیمتر به هم نزدیک شود، منیر و اِلی همچنان برای رسیدن به هم مجبورند همان فاصله 55 میلیون سال نوری را طی نمایند. بدون این که اصلاً خبر داشته باشند که تغییری در کیهانشان ایجاد شده است. امّا شما به عنوان یک موجودِ سهبعدیِ که علاوه بر x و y، توانایی حرکت در محور z را نیز دارید، میتوانید لحظهای کنار منیر باشید و سپس فقط با طی کردن 1 سانتیمتر در راستای z، خود را به اِلی برسانید.
چرا که حتّی اگر منیر به طریقی بتواند با سرعت نور به سمت اِلی حرکت کند، باید 55 میلیون سال در سفر باشد تا این مسیر را طی کند در حالی که اِلی به جای دستیابی به سرعت نور، اگر فقط با سرعت 3000 متر بر ثانیه این مسیر 1 سانتیمتری را طی کند، بسیار بسیار زودتر از منیر به مقصد خواهید رسید. از نظر شما اِلی از قوانین فیزیک تخطّی کرده و سرعت نور را شکسته است. در حالی که هرگز چنین نیست. الی با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور، فقط در بُعد بالاتری که برای ماها تعریف نشده است (بُعد ارتفاع یا محور z) حرکت کرده است.
اکنون بیاییم به منیر و اِلی کمک کنیم که سریعتر به هم برسند. برای آنها چیزی بنام محور z تعریف نشده و اما اگر کیهانشان آنقدر خم شود که آن فاصله 1 سانتی متری به صفر رسیده و موقعیت ایندو دقیقاً روی هم منطبق شود چه؟ در این صورت بین منیر و اِلی دروازهای عجیب گشوده شده است که هرکدام با ورود به آن میتوانند از موقعیت دیگری – جایی 55 میلیون سال نوری آنطرفتر، سر در بیاورند؛ آن هم بدون صرف هیچ زمانی! به این مفهوم، کرمچاله گفته میشود. به همین شکل اگر دو نقطه از فضای سهبعدی ما نیز در راستای بُعد چهارم روی یکدیگر خم شود، برای ما نیز کرمچالهای ایجاد میشود که با ورود به آن میتوانیم از نقطهی دیگر سر درآوردیم؛ حتّی اگر این دو نقطه در دو سر کیهان قرار داشته باشند. مفهوم پُرتال یا دَرگاه نیز در این راستا بوجود آمده است.
آنچه که در مورد کرمچالهها بین فیزیکدانان پذیرفته شده، این است که در صورت موجود بودن، این بسترها به شدت ناپایدار هستند. در حقیقت کوچکترین ذراتی همچون فوتون نیز در صورت عبور، میتوانند کرمچاله را به شدت ناپایدار کنند. بهمنظور جلوگیری از پیچیدگی و بسته ماندن مسئله کرمچاله، روشهایی همچون استفاده از ریسمانهای کیهانی[9] یا استفاده از مفهوم ماده منفی/پادماده[10] ارائه شدهاند. جالب است بدانید که به دلیل اتصال نقاط مختلف از فضا-زمان به یکدیگر، کرمچاله یکی از گزینههای ممکن به منظور انجام سفرهای طولانی فضایی و زمانی محسوب میشود. برخلاف سفر به آینده که از نظر تئوری امکانپذیر است، سفر به گذشته، دارای پارادوکسهایی ذاتی است و با توجه به آن بسیاری معتقدند که چنین سفری امکانپذیر نیست.
اشکالات علمی فیلم میانستارهای
در فیلم میانستارهای شاهد حضور یک کرمچاله کروی متقارن 2 کیلومتری هستیم که قابلیت انتقال به فاصله 10 میلیارد سال نوری (یک سال نوری برابر با 9 هزار و 460 میلیارد کیلومتر است) را دارا میباشد. در سال 2022 مقالهای با عنوان Inaccessibility of traversable wormholes در شماره 106 مجله PHYSICAL REVIEW توسط [11]Daniel R. Terno به چاپ رسید که جانِ کلام مقاله این بود که، کرمچالههای کروی متقارن از لحاظ تئوری نمیتوانند در گرانش نیمه کلاسیک وجود داشته باشند. البته در سال 2014 این مسئله به اثبات نرسیده بود.
- اگر کوپر مدتی حدود یک ربع را در پشت افق رویداد سیاهچاله گذرانده، باید مدتی برابر با صدها هزار سال یا حتی میلیونها سال بر روی زمین، میگذشت. زیرا اگر فرض کنیم، فردی به درون سیاهچالهای شیرجه میزند و ما از فاصله نسبتا دوری این حرکت را تماشا کنیم؛ از دید ما، فرد تقریبا بیحرکت میشود. گویی زمان برای اون متوقف شده؛ ولی به این مورد در فیلم توجه نشده است.
- به دام افتادن ستاره در یک سیاهچاله گسست کشندی[12] نام دارد و زمانی رخ میدهد که ستاره بیش از حد به یک سیاهچاله نزدیک شده و طی فرآیندی موسوم به اسپاگتی شدن[13] متلاشی میشود. حال چگونه یک انسان پس از رفتن درون سیاهچاله میتواند سالم از آنجا بیرون بیاید؟ بنابراین سفینه رنجری که کوپر با آن به داخل سیاهچاله رفت، باید تغییر شکل میداد و به شکل اسپاگتی در میآمد اما چنین چیزی در فیلم نشان داده نشد. حتی خود کوپر هم نباید از ورود به سیاهچاله، جان سالم به در میبرد.
- اولین بار، کوپر چگونه وارد این قضایا شد؟ چون در فیلم دیدیم که خود کوپر، با ارسال مختصات جغرافیاییِ مقر ناسا، خودش را وارد این قضایا کرد و یک چرخه را به وجود آورد؛ اما این چرخه، باید شروعی داشته باشد و در غیر اینصورت، به چرخهای ازلی و بدون آغاز میرسیم که منطقی نیست.
منابع
- https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/05/Sagittarius_collisions_trigger_star_formation_in_Milky_Way
- Daniel R. Terno , Inaccessibility of traversable wormholes , PHYSICAL REVIEW D 106, 044035 (2022)
- Kip Thorne , The Scince of interstellar , 2014 , W. W. Norton & Company, Inc , ISBN 978-0-393-35138-5 (e-book)
نام فیلم: اینتر استلار (Interstellar)
کارگردان: کریستوفر نولان (Christopher Nolan)
سال اکران: 2014
بودجه: 165 میلیون دلار آمریکا
زمین در آینده، دچار یک نابودی محصولات زراعی جهانی شده و موج دوم گرد و غبار در حال تبدیل زمین به سیاره غیر قابل سکونت است.
پروفسور برند (مایکل کِین) یک فیزیکدان نخبه ناسا، روی نقشهای که بتوان برای نجات جمعیت زمین، انسانها را از طریق یک کرم چاله به سیارهی دیگری انتقال داد، کار میکند.
اما قبل از هر چیز، پروفسور برند باید کوپر خلبان سابق ناسا (متیو مک کانائوگی) و گروهی از محققین را از طریق کرم چاله به آن سوی کهکشان فرستاده تا دریابند که کدام یک از سه سیارهی موجود قابل سکونت برای بشریت است…





