מדריך הטרמפיסט לחור השחור ולחור התולעת

מדריך הטרמפיסט לחור השחור ולחור התולעת

הבה נבחין בין חורי תולעת לבין חורים שחורים: לחורים שחורים יש אופק אירועים ואילו לשפות לוע של חור התולעת אין אופק אירועים. מאפיין בולט של חור תולעת הוא המנהרה. למשל באליס בארץ הפלאות, אליס יוצאת משפת התמזה ומגיחה דרך מנהרה של מאורת השפן הישר אל עולם הפלאות. ובספר השני היא יוצאת מאוקספורד ומגיחה דרך המראה אל עולם המראה. כלומר דרך המנהרה גופים פיזיקאליים יכולים בהחלט לחלוף (לפחות בעולם הפלאות). המרחב-זמן מאוד מתעקם סמוך ללוע החור. התעקמות זו מגיעה לערכים שמתאימים בדיוק לאופק האירועים של חור שחור בעל אותה המסה. אבל את שפות לוע חור התולעת מקיף חומר (פאנטום) אקזוטי.

שיחה מקיפה על חורים שחורים. וגם שיחה על חורי תולעת, גופים מתמטיים שנובעים מתורת היחסות הכללית של אינשטיין ולא ברור אם אי פעם בכלל נגלה אותם. יתכן שהם נמצאים בדיוק בחצר האחורית מאחורינו במרחק נגיעה…

מדריך הטרמפיסט לחור השחור

נתחיל בחור שחור. חור שחור הוא גוף שיש לו שדה כבידתי כה חזק שאפילו האור לא יכול לברוח ממנו. לכן הוא שחור, כמעט לפי הוקינג. חורים שחורים אסטרופיזיקאלים יכולים להיווצר כתוצאה מקריסה של כוכבים מאוד מסיביים בעת מותם. הכוכב הוא כה מסיבי שדבר לא יכול לעצור את קריסתו הכבידתית. כל החומר של הכוכב קורס לנקודה קטנה לאין שעור, לסינגולאריות. החור השחור מוגן מפני העולם החיצוני על ידי אופק אירועים. זהו כדור מסביב לחור השחור שממנו האור כבר לא יכול לברוח. כל דבר שחוצה את אופק האירועים נעלם לעד.

מצוידים בזכוכית מגדלת, בפנס ובעוד אביזרים, איך נמצא חור שחור? כדי לגלות חור שחור צריך לבדוק את השפעת השדה הכבידתי המסיבי שלו על הגופים מסביבו, השפעתו על כוכבים ועל חומר ביקום. נוצרת קרינה כתוצאה מנוכחותו, ישנן דיסקות ספיחה סביבו –  חומר שפולט אנרגיה בזמן נפילתו אל תוך החור השחור. חורים שחורים אפילו מעקמים את האור באמצעות תופעת עדשות הכבידה. בנוסף ישנה התופעה של סילונים מחורים שחורים: סילוני חלקיקים שמסתם היא בערך כמסת הפלנטה צדק, והם מורכבים מפוזיטרונים ואלקטרונים או מאלקטרונים ופרוטונים. הם נורים לחלל הבין גלקטי למאות או אלפי שנות אור בכמעט מהירות האור. כך למרות שהם שחורים, בכל זאת חורים שחורים משאירים עדות לקיומם. אם חור שחור נוצר ליד כוכב – הכוכב נזלל על ידי החור השחור, וזוהי עדות לקיום חור שחור. יש המאמינים שגלקסיות רבות מכילות חור שחור סופר מסיבי במרכזן. חורים שחורים אלה זללו חומר כה רב שהם תפחו למסות של מיליוני שמשות.

מה רואים על שפות החור השחור?

ניסע לבקר בחור שחור. בתחילה נהיה בנפילה חופשית, חסרי משקל כמו אסטרונאוטים. מה נרגיש כאשר נגיע לשפות החור? לבסוף כוחות הגאות הכבידתיים יפרקו אותנו לגזרים. מתקרבים ומתחילים להימתח: הרגליים יותר קרובות לחור מאשר הראש. הרגליים חשות במשיכה גדולה יותר מאשר הראש. נמתחנו בדיוק כמו אליס בארץ הפלאות. הכוח שמבצע את המתיחה הוא כוח הגאות. בדיוק כמו הגלים בים על כדור הארץ, כך גם אנחנו נמתחים ונמשכים. כוחות הגאות מתחזקים. ברגע שאנחנו בתוך אופק האירועים, ניתן היה תיאורטית ללכת ערומים כי איש מבחוץ לא יכול לראות אותנו – האור מאיתנו לא יכול לחמוק מאופק האירועים. כל התהליך לוקח כמה דקות (במקרה הטוב) ותוך שניות ואף מהר יותר, בום פוגעים בסינגולאריות. לכן להיכנס לחור שחור פירושו להימחץ לגזרים בסינגולאריות. נניח שלכן הבנו מהר מאוד שעלינו לסובב את ההגאים ולשוב חזרה – הבנה זו צריכה להתרחש תוך שניות בודדות לכל היותר.

עבור אנשים על גבי כדור הארץ המסע שלנו לחור השחור יראה כמו מסע של אליס למשתה התה של הכובען המטורף, שם השעה תמיד 5 אחר הצהרים והזמן עצר מלכת. בעודנו קרבים לחור השחור הזמן הולך ומאט את קצבו. מנקודת מבטו של הצופה על כדור הארץ, ככל שנתקרב לחור השחור, תנועתנו תראה איטית יותר ויותר. לבסוף כאשר נחצה את אופק האירועים הזמן יקפא מלכת. נעמוד על אופק האירועים ולא נרגיש כל שינוי. אולם עבורנו הזמן ימשיך להתקדם כמיקודם באותו הקצב. נמשיך לראות את היקום סביב כי האור מבחוץ עדין מגיע אלינו. אם כי הכל מבחוץ יראה קצת מעוות (כי כבידת החור השחור מעקמת את האור). אם נחליט לשוב חזרה לכדור הארץ, ונסובב את ההגאים של חלליתנו ונצליח לשוב הביתה, נגלה את כדור הארץ שנים רבות בעתיד, בדיוק כמו בפרדוקס התיאומים.

מדריך הטרמפיסט לחור תולעת

חור תולעת הוא תולדה של תורת היחסות הכללית של אינשטיין. חור תולעת הוא קיצור דרך, מעבר דרך תעלה בחלל ובזמן. בסדרה “בלייק הולזי היי” (“בלאק הול היי”), התלמידים למדעים נכנסו לחדר המורה למדעים בבית הספר התיכון בקנדה והיה נפער חור תולעת במרכז הרצפה. התלמידים היו שבים אחורה בזמן לתקופות זמן מסוימות בעבר (מאז שנוצר חור התולעת ברצפת בית הספר) כדי לפתור תעלומות שקשורות בבית הספר. אולי אם נצא עם מדריך הטרמפיסט לגלקסיה, ספר של ז’ול ורן, מפה לבטן האדמה, נר ועששית ונחפש חור תולעת, נמצא אחד?

הכל התחיל ב-1916 כאשר קארל שוורצשילד מצא פתרון למשוואות השדה של אינשטיין מתורת היחסות הכללית בצורת חור שחור. מיד אחר כך באותה השנה ב-1916 לודוויג פלאם גילה שמשוואות אינשטיין מאפשרות פתרון נוסף, חור לבן, ההפך מהחור השחור, אך שנע אחורנית בזמן. בעוד שהחור השחור בולע הכל, החור הלבן יורק אנרגיה וחומר החוצה. מין הסתם לכן החור הלבן מפר בצורה בוטה את החוק השני של התרמודינאמיקה ולכן לא סביר שהוא קיים בטבע. ההנחה הייתה שהחור הלבן מתחבר עם החור השחור בתעלה ביקום. כלומר ששני הפתרונות מחוברים ביניהם מתמטית על ידי תעלה במרחב-זמן כאשר הם מתארים שני אזורים שונים במרחב-זמן.

ב-1935 אינשטיין והפיזיקאי נתן רוזן השתמשו ביחסות הכללית כדי לבחון את צורת המרחב-זמן סמוך לכוכב מאוד מסיבי. הם מצאו שהמרחב-זמן התעקם למנהרה, שהיא חור ביקום. אינשטיין ורוזן שמו לב שמנהרה זו תוביל לאזור אחר של היקום. הם הבינו שמעבר דרך המנהרה הזו דרש מהירויות גבוהות יותר מזו של האור. מכיוון שזה היה אסור עלפי תורת היחסות הפרטית, אינשטיין ורוזן הסיקו שפתרון זה הוא רק מקרה מוזר מתמטי ללא ממשות פיזיקאלית והיחסות לא מאפשרת מעבר דרך גשר זה. אם גשר כזה איכשהו נפתח הוא ייסגר מיד בטרם פוטון בודד אחד יכול לעבור דרכו וכך תישמר הסיבתיות של תורת היחסות.

ב-1988 שלושה פיזיקאים מיקל מוריס, קיפ תורן ואולבי יורטסבר מהקלטק פרסמו את המאמר הרציני הראשון אודות חורי התולעת. הרעיון למאמר היה ספר מדע בדיוני בשם “מגע” מאת קארל סייגן. סייגן היה אסטרונום והכיר היטב את תורת היחסות והחורים השחורים והוא שאל את קיפ תורן, האם מסע בזמן יתכן דרך חור תולעת? תורן הבין שגשר אינשטיין-רוזן יכול לשמש כמכונת זמן. אולם תורן הזהיר שחור תולעת צריך להכיל חומר אקזוטי שלא קיים בעולמנו, חומר שיצור אנטי-כבידה או דחייה כבידתית כדי לאפשר לנוסע בזמן לעבור דרך חור התולעת מבלי שהחור יקרוס על עצמו. דחייה כבידתית יכולה להיווצר על ידי אנרגיה שלילית או לחץ שלילי. 

חורי תולעת יכולים לקשר בין יקומים שונים, הם יכולים לחבר בין מיקומים שונים באותו היקום והם יכולים אף להיות תעלה מחברת בין חור שחור לבין חור לבן, ביקום. כך צמח לו המיתוס האורבאני לפיו ישנו חור תולעת בלב כדור הארץ המחבר בין משולש ברמודה (חור שחור) למשולש השטן (חור לבן). תהיה אשר תהיה הפונקציה של חור התולעת, הפיזיקה שלו היא אותה פיזיקה, חורי התולעת נוצרים כחיבור בין שני מיקומים במרחב-זמן, כאשר הם עוקפים את המסע הרגיל במרחב-זמן התלת ממדי.

אולם נשאלת השאלה הבסיסית והמטרידה (שאין עליה עד היום תשובה), האם חורי תולעת קיימים? והתשובה היא: לא יודעים. הם אפשריים מבחינת המשוואות של תורת היחסות וזה אומר שיתכן והם קיימים ויתכן שהם רק יצירים מתמטיים. כמו תמיד עם פתרונות מתמטיים בלתי אפשריים, במידה והם באמת קיימים, חורי התולעת הם כנראה מאוד לא יציבים, קשורים באנרגיה שלילית, ולכן כל אפשרות לנוע דרכם במרחב ובזמן היא קצרת מועד. בנוסף, הקרינה שחולפת דרך חור התולעת מוסחת לכחול במידה כה רבה, שנוסע שינוע דרכם יישרף מהר מאוד.

טוב אז איך אפשר לדעת שיש לנו בחצר חור תולעת?

נניח שחורי תולעת אכן קיימים, קשה להאמין שנמצא דרך לפתוח חור תולעת בחצר יקומנו, ממש לידנו. כנראה שהם מאוד חמקניים וכנראה שנזדקק לציוד מאוד מיוחד כדי לנוע דרך חור תולעת, מה שבסופו של דבר יהיה מעשית בלתי אפשרי.

ב-2006 הפיזיקאי פול דייויס הסביר כיצד לבנות מכונת זמן דרך חור תולעת שכזה על בסיס רעיונותיו של קיפ תורן. כדי להשתמש בחור תולעת למסע בזמן למשל יש לבנות חור תולעת או למצוא כזה מוכן ומזומן ביקום. צריך למצוא תעלה שמחברת בין שני מיקומים שונים בחלל. נניח שחורי תולעת גדולים מתקיימים באופן טבעי בחלל העמוק, שרידים מהמפץ הגדול. תורן ועוזריו הציעו ב-1988 שאולי ניתן לדמיין ולמצוא יום אחד חור שחור מסתובב מטיפוס קר שמבחינה מתמטית יש בתוכו תעלות למקומות אחרים – או ביקומנו או ביקומים אחרים. במקרה של חור תולעת המקשר שני מקומות באותו היקום, המרחק החיצוני בין המקומות יכול להיות מאוד גדול (במגה שנות אור) או שהמרחק דרך חור התולעת יכול גם להיות מאוד קטן. אם כן, איך מוצאים כזה חור תולעת? התשובה של תורן ועוזריו הייתה בשעתו: לא יודעים.


 

מכאן

 

ההצעה של תורן ועוזריו הייתה שקיימים חורי תולעת תת-אטומיים היכן שהוא סביבנו באורך פלנק, כלומר באורך שהוא יותר קטן מזה של הגרעין האטומי. כל שיש לעשות הוא למשוך חור תולעת כזה מהקצף הקוונטי ולהגדילו לגודל קלאסי. יש למשוך ולהגדיל חור תולעת זעיר שכזה לגודל אנושי. אחר כך אולי יהיה ניתן להשתמש בו לנסיעה בזמן בעזרת שדות אנרגיה כמו אלה שגרמו לחלל להתנפח ממש אחרי המפץ הגדול. כמובן שיש לייצב את חור התולעת כדי שלא יתמוטט על עצמו ולבסוף תוך שימוש באפקט האטת הזמנים מהיחסות הפרטית, יש לשנות את הזמן בפתח אחד של חור התולעת ביחס לפתח האחר. נניח שבתחילה שני הפתחים של חור התולעת הם במנוחה זה ביחס לזה. אחר כך, הפתח השמאלי נותר במנוחה ואילו הפתח הימני מואץ כמעט למהירות האור, הוא מסתובב, משנה כיוון ואז שב למנוחה. יוצרים את התנועה הזו למשל על ידי משיכה כבידתית או חשמלית חזקה. תנועה זו גורמת לפתח הימני להזדקן פחות ביחס לפתח השמאלי מנקודת מבט חיצונית. כתוצאה על ידי חציה של חור התולעת מימין לשמאל, ניתן לנוע אחורה בזמן וכך אולי להפר את הסיבתיות. דייויס מציע למקם את הפתח הימני ליד פני משטחו של כוכב ניטרונים – כוכב מאוד צפוף, בעל שדה כבידה חזק. הכבידה החזקה גורמת לזמן לחלוף לאט יותר בפתח זה. וכך חור התולעת יכול לחנות שם בקביעות והפרש הזמן בין הפתחים השמאלי והימני מוקפא. נניח, אומר דייויס, שהפרש הזמן הוא 10 שנים. נוסע שעובר במנהרה של החור בפתח אחד קופץ לעתיד 10 שנים. בעוד שנוסע שעובר בכיוון השני קופץ 10 שנים לעבר ויכול להגיע לנקודת היציאה ממנה הוא בא (אבל לא לעבר שטרם יצירת חור התולעת). כך נוצרה לולאה סגורה בחלל ובזמן.  

הבעיות רק מתחילות. יש לצקת בחור אנרגיה שלילית שמופקת באמצעים קוואנטים (כמו למשל באמצעות אפקט קזימיר), כך שעצם יוכל לעבור דרכו בבטחה. האנרגיה השלילית מאזנת את הנטייה של חור התולעת להידחס לנקודה סינגולארית בעלת אינסוף צפיפות. כלומר היא מונעת מחור התולעת מלהיהפך לחור שחור. כמובן שזקוקים לחומר אקזוטי. החומר הזה יצור אנטי כבידה שתלחם בנטייה הטבעית של מערכת מסיבית להתפוצץ לחור השחור. אנטי כבידה או דחייה כבידתית ניתן ליצור על ידי אנרגיה שלילית או לחץ שלילי. מצבי אנרגיה שליליים ידועים כקיימים במערכות קוונטיות מסוימות, מה שמציע שהחור האקזוטי של תורן לא נשלל לגמרי על ידי חוקי הפיזיקה, למרות שלא ברור האם מספיק חומר אנטי-כבידתי יכול להיות מורכב כדי לייצב חור תולעת. ואם מדובר בחורי תולעת בסקאלה קוונטית שיש להפוך אותם לחורי תולעת גדולים, את אלו ניתן לייצב על ידי פולס של אנרגיה ואז איך שהוא לבצע להם אינפלציה לממדים שמישים. ואולם, חוסר היציבות של החורים הובנה בסוף שנות השמונים ככה חמורה שלא היה ברור באותה תקופה כיצד אדם יכול לנוע דרכם ואפילו פוטון לא יוכל לחלוף דרך לוע חור התולעת. אפילו במהירות האור הפוטון לא יכול לחלוף דרך לוע החור בטרם ילכד בתוכו באזור בעל עקמומיות אינסופית. כל שכן יצור אנושי. גורלו יהיה גרוע אף יותר. חורי התולעת פשוט יקרסו כה מהר לאחר היווצרותם שדבר לא ינצל ממה שחדר לתוכם. אכן הנוכחות של חומר-אנרגיה בתוך חור התולעת מאיץ את קריסתו. נראה שעצם הדינאמיקה של חור התולעת גורמת לו להיות בלתי ניתן לחצייה בעליל.

ב-2008 – עשרים שנה אחרי מאמרם המפורסם של מוריס, תורן ויורטסבר – חוקר רוסי בשם אלכסנדר שצקי הציע לפתע רעיון חדש: מערך אנטנות רדיו מדויק יכול אולי לצוד חורי תולעת ביקום…

 

 

Advertisements