חורי תולעת ו„מסע בין כוכבים”: בין פתרון מתמטי למסלול בין הכוכבים
היחסות הכללית מאפשרת לתאר קיצורי דרך במרחב־זמן, אבל חור תולעת עביר ויציב דורש תנאים שאיננו יודעים ליצור. מה הסדרה והסרטים הבינו נכון, מדוע הנוסעים לא יחושו שהם נעים בהילוך איטי, ומה באמת הודגם במחשב קוונטי
שישים שנה לאחר ש„מסע בין כוכבים” שלחה את האנטרפרייז לחפש עולמות חדשים, המרחקים האדירים בין הכוכבים עדיין מציבים בפני כל סיפור חלל את אותה בעיה: אפילו האור זקוק ליותר מארבע שנים כדי להגיע אל מערכת אלפא קנטאורי, השכנה הקרובה של מערכת השמש. מנוע העיוות סיפק לסדרה את אמצעי התחבורה השגרתי שלה, אבל מפעם לפעם הופיע פתרון דרמטי עוד יותר — חור תולעת, קיצור דרך המחבר אזורים רחוקים במרחב־זמן.
חורי תולעת אינם רק המצאה של תסריטאים. הם מופיעים כגאומטריות אפשריות במשוואות תורת היחסות הכללית. אלא שהמילה „אפשריות” דורשת הסתייגות גדולה: פתרון מתמטי אינו הוכחה שעצם כזה קיים בטבע, יכול להיווצר, יישאר פתוח או יאפשר לחללית לעבור דרכו בשלום. עד היום לא נצפה חור תולעת, ואין בידינו שיטה לבנות אחד.
דווקא בשל הפער הזה, חורי התולעת הם דוגמה מוצלחת לדו־שיח בין מדע למדע בדיוני. „מסע בין כוכבים” השתמשה בהם לעיתים בחופשיות רבה, אך גם הציגה כמה מן השאלות שהפיזיקאים באמת שואלים: לאן מוביל הפתח השני, האם המעבר יציב, כיצד זורם בו הזמן, ומה יקרה אם עצם חומרי יפריע לגאומטריה העדינה שלו.
לא חור בחלל אלא קיצור דרך במרחב־זמן
הדימוי המקובל הוא דף נייר שעליו מסומנות שתי נקודות רחוקות. אם מקפלים את הדף כך שהנקודות ייפגשו ומנקבים אותו, נוצר מסלול קצר בהרבה מן הדרך על פני הדף. הדימוי מועיל, אך גם מטעה: היקום אינו יריעה דו־ממדית המקופלת בתוך חלל חיצוני נגיש. חור תולעת הוא שינוי בגאומטריה ובטופולוגיה של המרחב־זמן עצמו, ובמודל הפשוט יש לו שני פתחים ו„גרון” המחבר ביניהם.
ב־1935 תיארו אלברט איינשטיין ונתן רוזן מבנה שנודע לימים כגשר איינשטיין–רוזן. הוא מקשר מתמטית שני אזורים של מרחב־זמן הקשור לחור שחור, אך אינו שער שאפשר לטוס דרכו: במבנה הקלאסי הגשר נסגר מהר מדי, ואופק האירועים מונע מן הנוסע לחזור ולדווח על המסע. המונח „חור תולעת” נכנס לשיח הפיזיקלי בעקבות עבודתם של ג'ון ארצ'יבלד וילר וצ'רלס מיזנר ב־1957.
בשנת 1973 הציגו הומר אליס וקיריל ברוניקוב, כל אחד בנפרד, פתרונות שבהם אפשר עקרונית לעבור מצד אחד לצד האחר. ב־1988 ניסחו מייקל מוריס וקיפ תורן את המודל שהפך לנקודת המוצא של רוב הדיון המודרני: חור תולעת עביר, ללא אופק אירועים, בעל גרון רחב דיו ועם כוחות גאות שאינם קורעים את הנוסעים ואת החללית.
המחיר: חומר אקזוטי ואנרגיה שלילית
הקושי הגדול מתגלה בגרון. הכבידה של חומר רגיל נוטה לסגור את המעבר. כדי להשאיר אותו פתוח, פתרון מוריס–תורן דורש התפלגות חריגה של אנרגיה ולחץ המפרה את מה שמכונה „תנאי האנרגיה האפסי”. במילים פשוטות, לאורך מסלולים מסוימים במרחב־זמן צריכה להופיע צפיפות אנרגיה שלילית ביחס לריק. בפיזיקה מכנים את המקור הדרוש „חומר אקזוטי”, אך אין מדובר בחומר מוכר שאפשר לכרות, לאגור או להזרים למתקן.
תורת השדות הקוונטית מאפשרת במצבים מסוימים צפיפויות אנרגיה מקומיות הנמוכות מזו של הריק, והדוגמה הידועה היא התצורות הקשורות לאפקט קזימיר. מכאן לא נובע שאפשר להחזיק חור תולעת פתוח. אי־שוויונות קוונטיים מגבילים את עוצמת האנרגיה השלילית, את משך קיומה ואת האזור שבו היא יכולה להופיע. ככל שמנסים להגדיל את חור התולעת לממדים המתאימים לחללית, הפער בין מה שהמשוואות דורשות לבין מה שהפיזיקה הידועה מספקת נעשה עצום.
יש מודלים תאורטיים המנסים לעקוף חלק מן הקושי. ב־2017 הראו פינג גאו, דניאל ג'אפריס וארון וול כיצד אינטראקציה קוונטית מיוחדת יכולה להפוך גשר בין שני חורים שחורים לעביר במרחב אנטי־דה־סיטר — יקום תאורטי בעל גאומטריה שונה מזו של היקום הנצפה. ב־2021 תיארו חואן מלדסנה ואלכסיי מילכין חורי תולעת שדרכם אדם עשוי לעבור בתאוריות הכוללות פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. אלה הישגים תאורטיים חשובים, אך לא תוכניות הנדסיות ולא ראיה לכך שהתנאים הדרושים קיימים בטבע.
איך ייראה חור תולעת אמיתי?
על המסך מופיע חור תולעת בדרך כלל כפתח עגול, מערבולת או מנהרה זוהרת. חישובי מסלולי אור מציירים תמונה אחרת. פתח של חור תולעת תלת־ממדי אמור להיראות מכל כיוון כמשטח כדורי — מעין בועת סבון או כדור בדולח התלוי בחלל. בתוכו ייראה השמים שבצד האחר, ואור הכוכבים סביב שפתו יעבור עידוש כבידתי חזק. אותו כוכב עשוי להופיע כמה פעמים, להימתח לקשת או לנוע באופן שנראה מוזר כאשר הצופה מקיף את הפתח.
זו גם הסיבה שהאיור המוכר של משפך בתוך רשת הוא רק תרשים עזר. הוא מצמצם את המרחב לשלושה ממדים ומציג את העקמומיות כאילו היא מתרחשת בממד חיצוני. נוסע המתקרב לחור תולעת לא אמור לראות „בור” מתחתיו, אלא אזור כדורי שבו תמונת היקום מעוותת. הדמיות שנוצרו עבור הסרט „בין כוכבים” המחישו מראה כזה על בסיס מעקב מדויק אחר קרני אור, והוא קרוב יותר לתחזיות הפיזיקליות מרוב השערים הדו־ממדיים של המדע הבדיוני.
חור התולעת הראשון של „מסע בין כוכבים”
ההופעה הראשונה של חור תולעת בזיכיון הייתה בסרט „מסע בין כוכבים: הסרט” מ־1979. תקלה במנוע העיוות יוצרת עיוות במרחב־זמן ושואבת לתוכו את האנטרפרייז. מערכות הספינה משתבשות, אנשי הצוות מדברים ונעים לאט, ואסטרואיד מאיים לפגוע בהם לפני שיוכלו להגיב.
כחור תולעת, התיאור אינו עקבי במיוחד. לא מוצגים שני פתחים המחברים יעדים רחוקים, והאזור נעלם כאשר הספינה יוצאת ממהירות עיוות. ובכל זאת יש ברעיון גרעין פיזיקלי מעניין: מנוע עיוות, אילו היה אפשרי, היה משנה את הגאומטריה של המרחב־זמן. תצורות של חומר בעל לחץ שלילי עשויות במודלים קיצוניים לגרום לאזור להתרחב במהירות, ואפשר לדמיין קשר בין בועת עיוות, יצירת „יקום־תינוק” וחור תולעת. כל השלבים האלה ספקולטיביים מאוד, אך הם משתמשים באותה שפה מתמטית של עקמומיות המרחב־זמן.
הסרט טועה באופן ברור יותר בהצגת הזמן. נוסעים בתוך שדה כבידה חריג עשויים לצבור זמן שונה מאנשים שנותרו הרחק ממנו, אבל הם לא יחוו את עצמם בהילוך איטי. השעון שעל ידם יתקתק שנייה אחת בכל שנייה, דיבורם יישמע להם רגיל ומחשבותיהם לא יואטו. רק לאחר השוואת שעונים יתברר ששני מסלולים במרחב־זמן צברו פרקי זמן שונים. זהו אותו עיקרון שבגללו חייבים לתקן את שעוני לווייני ה־GPS בהתאם להשפעות היחסות.
חור התולעת הברזאני: לא מספיק למצוא פתח
בפרק „המחיר” של „מסע בין כוכבים: הדור הבא”, ששודר ב־1989, מוצע למכירה חור התולעת הברזאני. הפתח הקרוב נראה יציב ומבטיח להפוך את כוכב הלכת ברזן לצומת תחבורה בין־כוכבי. המכרז מושך מעצמות וסוחרים, עד שמתברר שהקצה האחר אינו קבוע אלא נודד ממקום למקום.
מבחינה מדעית זהו לקח מוצלח: עצם קיומה של גאומטריה דמוית חור תולעת אינו מספיק. צריך לדעת היכן נמצא כל פתח, אם הם נותרים מחוברים, כמה זמן המעבר פתוח, אילו כוחות גאות וקרינה פועלים בגרון, ומה קורה כאשר מסה עוברת דרכו. סימולציות של חור התולעת אליס–ברוניקוב מצאו כי הפרעות קטנות עלולות לגרום לו להתנפח או לקרוס לחור שחור. באחד המחקרים, אפילו אנרגיה חיובית של נוסע החוצה את המעבר דחפה את המערכת לעבר קריסה, אלא אם נוספה במדויק אנרגיה אקזוטית מאזנת.
מחקרים מאוחרים יותר מצאו רמזים לכך שסיבוב עשוי לייצב מצבים מסוימים של חורי תולעת, אך יציבות ליניארית של כמה אופני הפרעה אינה שקולה להוכחה שחור תולעת מסתובב ישרוד הפרעות גדולות, קרינה, חומר נכנס ותנאים מציאותיים. במקרה זה, הזהירות של קפטן חללית מוצדקת יותר מן הדחף „להעז להגיע”.
חור התולעת הבאג'ורי: החלום המושלם של חלל עמוק תשע
„מסע בין כוכבים: חלל עמוק תשע” בנתה על חור תולעת את הסדרה כולה. בפרק הפתיחה מגלים בנג'מין סיסקו וג'דזיה דקס מעבר יציב המקשר את אזור באג'ור ברביע אלפא לרביע גמא, מרחק של כ־70 אלף שנות אור. התחנה הופכת בן־לילה ממוצב נידח לשער מסחרי ואסטרטגי, ובהמשך גם לחזית במלחמה.
זהו חור התולעת השימושי ביותר בזיכיון: שני יעדיו קבועים, הוא רחב דיו לחלליות וניתן לחצותו שוב ושוב. יציבותו מיוחסת לישויות הלא־גשמיות החיות בתוכו, שבני באג'ור מכנים „הנביאים”. זהו פתרון עלילתי אלגנטי בדיוק במקום שבו הפיזיקה חסרה מנגנון. איננו מכירים דרך טבעית להחזיק מעבר כזה פתוח במשך אלפי שנים, להגן עליו מפני כל חללית החוצה אותו ולמנוע מן האנרגיה והקרינה שבתוכו לערער את המבנה.
גם מבחינה חזותית, חור התולעת הבאג'ורי הוא שער שטוח כמעט כאשר הוא נפתח מול התחנה. חור תולעת תלת־ממדי צפוי להיראות כדורי מכל כיוון, עם עידוש מורכב של השמים שמעבר לו. עם זאת, הסדרה צדקה בדבר אחד חשוב: חור תולעת יציב לא יהיה רק סקרנות אסטרופיזיקלית. הוא ישנה מסחר, ביטחון, פוליטיקה ומאזן כוחות בדיוק כפי שתעלת סואץ, מצרי ים ונמלי מעבר שינו את ההיסטוריה בכדור הארץ.
קיצור דרך שעלול להפוך למכונת זמן
חור תולעת עביר אינו מחייב את הנוסע לנוע מקומית מהר מן האור. החללית יכולה לטוס במהירות רגילה בתוך הגרון, אך המסלול שהיא עוברת קצר מן הדרך החיצונית בין שני הפתחים. מבחינת צופה שנאלץ להקיף את המרחב הרגיל, היא מגיעה ליעדה לפני קרן אור שנשלחה בדרך הארוכה. כך היחסות המקומית נשמרת, אף שהתוצאה הכוללת נראית על־אורית.
כאן מופיעה בעיה עמוקה יותר. אם מזיזים אחד מפתחי חור התולעת במהירות גבוהה, או משאירים אותו זמן ממושך בשדה כבידה חזק, התארכות הזמן היחסותית יכולה ליצור הפרש גיל בין שני הפתחים. מעבר בכיוון המתאים עלול אז להחזיר את הנוסע לזמן מוקדם יותר לפי שעוני העולם החיצוני וליצור מסלול זמן סגור.
מוריס, תורן ואולבי יורטסבר הראו ב־1988 כיצד חור תולעת עביר יכול עקרונית להפוך למכונת זמן. אין פירוש הדבר שמסע לעבר אפשרי במציאות. סטיבן הוקינג הציע את „השערת הגנת הכרונולוגיה”: ייתכן שתנודות קוונטיות גדלות ללא גבול ברגע שבו מכונת זמן עומדת להיווצר ומשמידות את המבנה. ללא תאוריה שלמה של כבידה קוונטית אין הכרעה, אך הקשר בין חורי תולעת להפרת סיבתיות הוא אחת הסיבות לכך שפיזיקאים חושדים שהטבע מציב מחסום נוסף מעבר לקושי ההנדסי.
האם מחשב קוונטי כבר יצר חור תולעת?
ב־2022 עורר ניסוי במעבד הקוונטי Sycamore של גוגל כותרות שלפיהן נוצר חור תולעת. זה לא מה שקרה. החוקרים הפעילו מעגל קוונטי קטן שמימש מודל פשוט בעל תיאור כפול: בשפה אחת הוא מתאר דינמיקה של קיוביטים וטלפורטציה קוונטית, ובשפה תאורטית אחרת אפשר למפות היבטים שלו לדינמיקה של חור תולעת עביר במרחב אנטי־דה־סיטר.
לא נפתח מעבר במרחב־זמן, שום עצם לא נשלח דרכו והכבידה במעבדה לא השתנתה. חשיבות הניסוי הייתה בבדיקת רעיונות על הקשר בין שזירה קוונטית, מידע וכבידה באמצעות מערכת נשלטת. גם הפרשנות הזו נתונה במחלוקת: חוקרים אחרים טענו שהמודל המצומצם לא שחזר כמה מן התכונות המרכזיות של המערכת הכאוטית שאותה נועד לייצג, וכי אות הטלפורטציה אינו הוכחה ייחודית לדינמיקה כבידתית.
ההבחנה חשובה במיוחד בעידן של כותרות דרמטיות. הדמיה או מימוש אנלוגי יכולים ללמד על משוואות של תופעה בלי ליצור את התופעה עצמה. תוכנת מזג אוויר אינה מחוללת סערה בתוך המחשב, ודגם קוונטי של חור תולעת אינו שער לחלל עמוק.
בין מה שמותר במשוואות למה שקיים ביקום
המחקר בחורי תולעת אינו ניסיון לבנות מחר שער בין־כוכבי. הוא משמש מעבדה תאורטית לבדיקת גבולות היחסות הכללית, תנאי האנרגיה, סיבתיות והקשר האפשרי בין כבידה למידע קוונטי. חוקרים גם מחשבים כיצד חור תולעת, אילו התקיים, עשוי לעדש אור או לחקות את הצל ואת דיסקת הספיחה של חור שחור. עד כה שום תצפית לא חייבה הסבר באמצעות חור תולעת, וכל המועמדים ניתנים להסבר בעזרת עצמים אסטרופיזיקליים מוכרים יותר.
„מסע בין כוכבים” צדקה אפוא ברעיון המרכזי אך הקדימה מאוד את הפיזיקה המעשית. המרחב־זמן אינו במה קשיחה; הוא יכול להתעקם, להשתנות ולכלול גאומטריות מפתיעות. חור תולעת יכול להופיע במשוואות כקיצור דרך, והנוסע בו אינו חייב להפר מקומית את מגבלת מהירות האור. אבל הסדרה העניקה כמובן מאליו את שלושת הדברים שהמדע אינו מסוגל לספק: מנגנון יצירה, מקור נשלט של אנרגיה שלילית ויציבות לאורך זמן.
אם אי־פעם יופיע מול חללית פתח כדורי המציג שמים שאינם שייכים למקומה, השאלה הראשונה לא תהיה רק „לאן הוא מוביל?”. יהיה צורך לשאול אם הוא עביר, אם צדו השני נשאר במקום, מהו הפרש הזמן בין הפתחים והאם עצם הכניסה תגרום לו לקרוס. עד אז, חורי התולעת נותרים באזור הפורה שבין האפשרי מתמטית, הספקולטיבי פיזיקלית והחיוני לעלילות מדע בדיוני.
שאלות ותשובות
האם חורי תולעת קיימים במציאות?
אין כיום ראיה תצפיתית לקיומו של חור תולעת. משוואות היחסות הכללית מאפשרות גאומטריות כאלה, אבל פתרון מתמטי אינו מבטיח שהטבע יוצר אותו או שהוא יציב.
האם חללית יכולה לעבור בחור תולעת?
רק במודלים תאורטיים של חורי תולעת עבירים. הם דורשים גרון ללא אופק אירועים, כוחות גאות מתונים ומקור של אנרגיה שלילית או פיזיקה אקזוטית שתמנע קריסה. אין בידינו דרך ליצור את התנאים האלה.
האם מעבר בחור תולעת מפר את מגבלת מהירות האור?
לא בהכרח. החללית יכולה לנוע מקומית במהירות נמוכה ממהירות האור, אך לעבור במסלול קצר יותר מן הדרך הרגילה במרחב. למרות זאת, חורי תולעת עלולים ליצור בעיות סיבתיות ואף מסלולים המאפשרים לכאורה חזרה לעבר.
האם הניסוי במחשב הקוונטי של גוגל יצר חור תולעת?
לא. הניסוי מימש מערכת קוונטית שניתן לתאר באמצעות מודל בעל מקבילה תאורטית לחור תולעת. הוא לא עיקם את המרחב־זמן ולא יצר מעבר שאפשר לשלוח דרכו חומר.
המאמר המדעי
עוד בנושא באתר הידען
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.