02.29.2016
حلقات حرق من نار(*)
«جدران نار» (1) من جسيمات يمكن أن تحيط بالثقوب السوداء،
مربكة بذلك كلتا نظريتي النسبية العامة (2) وميكانيك الكم (3).
باختصار
بَيّن اكتشافُ <S. هوكنگ> القائل بإمكان تسرب جسيمات من ثقب أسود وجودَ ثغرة في فهم العلماء للفيزياء. إذ يبدو أن هذه الجسيمات الهاربة تؤدي إلى تدمير المعلومات داخل الثقوب السوداء - وهذا شيء يمنعه ميكانيك الكم.
ظهر أن محاولة حل هذا الإشكال باستعمال نظرية الأوتار واعدة، غير أن حسابات حديثة تبين أن الثقوب السوداء أكثر إرباكا مما كان يظن.
وفق حسابات قام بها المؤلف وزملاؤه، وُجدت حواجز من جسيمات عالية الطاقة تدعى جدران نار تحيط بالثقوب السوداء. وقد تمثل مثل هذه الجدران نهاية المكان نفسه. وقد يؤدي حل معضلة جدران النار إلى طريق يُوحّد ميكانيك الكم والنسبية العامة.
|
[rtl]لن يكون السقوط إلى داخل ثقب أسود أمرا مسليا أبدا. فبمجرد أن تأكد الفيزيائيون من وجود ثقوب سوداء، كان من المعلوم لدينا أن الاقتراب من أحدها اقترابا شديدا لعنة تؤدي إلى موت محتم. لكننا كنا نعتقد أن رائد فضاء يسقط متجاوزا نقطة اللاعودة - التي تعرف بأفق الحدث event horizon - لن يشعر بأي شيء مميز. فوفق نظرية <أينشتاين> في النسبية العامة لن تكون هناك أعمدة إشارات تحدد النقطة التي ينخفض احتمال الهروب عندها إلى الصفر. فأي واحد ينتقل مجتازا الأفق سوف يشعر بأنه يسقط نحو الأسفل باستمرار نحو حفرة سوداء عميقة فقط لا غير.
[/rtl]
[rtl]غير أنني قمت مع زملائي، حديثا، بإعادة صياغة تلك الصورة في ضوء بعض المعلومات الجديدة بخصوص آثار ميكانيك الكم في الثقوب السوداء. إذ يبدو الآن أن رائد الفضاء المذكور سيعاني معاناة تختلف عن تنبؤ <ألبرت أينشتاين> اختلافا تاما. فهو عوضا عن أن يسقط سقوطا من دون عواقب نحو الداخل، فإنه سيواجه «جدار نار» من جسيمات عالية الطاقة عند أفق الحدث تُميته فورا. ويمكن لهذا الجدار أن يعلم نهاية المكان نفسها.
[/rtl]
[rtl]فمنذ ثلاث سنوات خلت توصل أربعتنا، عندما كنا جميعا في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا - <D. مارولف> [زميلي] و <A. المحايري> و <J. سوللي> اللذان كانا طالبين في مرحلة تحضير الدكتوراه، وأنا (أصبحنا نُعرف الآن اختصارا بالأحرف الأولى من أسمائنا AMPS) - إلى هذه الخلاصة بعد استعمال أفكار من نظرية الأوتار(4)string theory كي ننظر نظرة أكثر قربا إلى فيزياء الثقوب السوداء، وعلى الخصوص النظر في جدال مهم قدَّمه <S. هوكنگ> في سبعينات القرن العشرين. فقد وجد <هوكنگ> تضاربا عميقا بين تنبؤات النظرية الكمومية وتنبؤات النسبية في هذه البيئات المتطرفة. فوفق تعليلاته، يظهر عيب إما في ميكانيك الكم أو في نظرة <أينشتاين> للزمكان spacetime. واستمرت المعركة تتأرجح بينهما بخصوص أيهما الصحيح منذ ذلك الوقت.
[/rtl]
[rtl]وكما أثار ادعاء <هوكنگ> الأصلي عاصفة من الرفض، فعل افتراضنا الحديث بوجود جدار نار الشيء نفسه، ولم يظهر بديل مقنع حتى الآن. فإذا وثقنا بميكانيك الكم يكون وجود جدران نار من نتائجه. مع أن وجودها يثير محيرات نظرية كذلك. ويبدو أن على الفيزيائيين التخلي عن أحد المعتقدات الرصينة المقبولة قبولا واسعا، لكننا لا نستطيع التوافق على ماهية ما علينا التخلي عنه. ومع ذلك, نأمل بأن يخرج من هذا الارتباك فهم أفضل لميكانيك الكم وللنسبية - وكذلك، في الحالة المثالية، أن تحل في النهاية التضاربات الظاهرية بين هاتين النظريتين اللتين تسودان الفيزياء.
[/rtl]
المتفردة(**)
[rtl]وتستخلص النسبية العامة، التي ولَّدت في الأصل مفهوم الثقوب السوداء، صورتها عن هذه الكيانات الغريبة وآفاق أحداثها من فهم لأثر الثقالة gravity في الزمان والمكان. فوفق هذه النظرية، إذا اجتمعت كتلة كافية معا، فسوف يسبب جر الثقالة الناجمُ البدءَ بانهيارها. ولا يوجد شيء يمكنه وقف هذه العملية حتى تنضغط الكتلة كلها لتشكل نقطة واحدة, حيث يكون الزمكان ذا كثافة لانهائية ومنحنيا انحناء لانهائيا وهو ما دُعي النقطة المتفردة thesingularity - وبكلام مكافئ، ثقباً أسود black hole.
[/rtl]
[rtl]ولن يستطيع أي مسافر فضائي يجتاز حدود أفق حدث الثقب الأسود الهروبَ من الجر الثقالي وسيسحب باتجاه النقطة المتفردة. وحتى الضوء، فبمجرد اجتيازه الأفق لن يستطيع الهرب. والمتفردة مكان درامي جدا، غير أن الأفق نفسه من المفترض أن يكون غير معلم، وفق ما يدعى مبدأ التكافؤ للنسبية العامة(5)؛ فيقول المبدأ إن الأفراد الذين يسقطون سقوطا حرا في ثقب أسود سيرون قوانين الفيزياء نفسها بمجرد عبورهم الأفق، كما لو كانوا في أي مكان آخر. ويحب النظريون القول إن مجموعتنا الشمسية برمتها قد تكون في حالة سقوط نحو ثقب أسود ضخم الساعةright now، ولكننا لن نعاني أيَّ شيء خارج عن المعتاد.
[/rtl]
إشعاع الثقب الأسود(***)
[rtl]لقد بدأ التحدي الذي طرحه <هوكنگ> بخصوص الصورة التقليدية للثقوب السوداء عام 1974، حين نظر في تنبؤ غريب لميكانيك الكم. ووفق هذه النظرية، فإن أزواجاً من الجسيمات ومقابلاتها من المادة المضادة تظهر فجأة بصورة مستمرة ثم تختفي آنيا تقريبا. فإذا حدثت مثل هذه التأرجحات والتراوحات fluctuations على حدود أفق ثقب أسود من الخارج بالضبط، بيّن <هوكنگ> إمكان انفصال عنصري الزوج. وأحدهما يسقط في المتفردة، أما الثاني فسيهرب من الثقب الأسود حاملا معه جزءا من كتلته. ومن ثم، ستنفد كتلة الثقب الأسود كلها في النهاية وفق هذه العملية التي دعيت تبخر <هوكنگ>(6).
[/rtl]
[rtl]وقد وجِد أن عملية تبخر الثقوب السوداء الموجودة في الطبيعة غير ذات أهمية: إذ إن هذه الثقوب السوداء تضيف كتلة من الغاز والغبار الساقطين بمعدل أكبر بكثير مما تخسره بالإشعاع. لكنه لأغراض نظرية، يمكننا تقصي ما يحدث لو أمكن عزل ثقب أسود عزلا تاما وكان لدينا وقت كاف لمراقبة عملية التبخر بكاملها. فقد كشف <هوكنگ>، عند متابعة مثل هذه التجربة الذهنية، عن تناقضين ظاهريين بين النسبية العامة وميكانيك الكم.
[/rtl]
[rtl]مسألة الإنتروبية. لاحظ <هوكنگ> عندما أمعن النظر في ثقب أسود معزول أن طيف الضوء لإشعاعه المنبثق منه مبتعدا عنه سيبدو شبيها تماما بطيف جسم حار مشع؛ ما يعني امتلاك الثقب الأسود درجة حرارة. وتنشأ درجة الحرارة في الحالة العامة عن حركة الذرات داخل الأجسام. وعندئذ تشير الطبيعة الحرارية لإشعاع <هوكنگ> إلى وجوب امتلاك الثقب الأسود بنية مجهرية(7) مكونة من نوع ما من لبنات بناء متقطعة أو قسيماتد (أو بتات) bits. وقد توصل الفيزيائي <D .J. بيكنشتاين> الذي يعمل الآن بالجامعة العبرية في القدس، إلى النتيجة نفسها قبل عامين عندما كان منشغلا بتجارب ذهنية تتضمن إلقاء أشياء داخل الثقوب السوداء. ويعطي عمل كل من <هوكنگ> و<بيكنشتاين> صيغة لعدد القسيمات، الذي يعبر عن قياس لما يعرف بإنتروبية الثقب الأسود(8). والإنتروبية معيار لعدم الترتيب تصبح أعظم مع زيادة عدد الحالات المتاحة للجسم. وكلما كبر عدد القسيمات في ثقب أسود، زادت التراتيب الممكنة للجسم وعظمت الإنتروبية.
[/rtl]
[rtl]وعلى العكس من ذلك، تصف النسبية العامة الثقب الأسود عبر امتلاكه هندسة ملساء، وتشير إلى وجوب أن يبدو أي ثقب أسود ذي قيم مفروضة للكتلة والسبين spin والشحنة بالمظهر نفسه: وبكلمات الفيزيائي الراحل <J. ويللر> [من جامعة پرينستون] «ليس للثقوب السوداء شعر». لذلك يوجد هنا تناقض: إذ تقول النسبية بعدم وجود شعر، في حين يقول ميكانيك الكم إن للثقوب السوداء كمية كبيرة من الإنتروبية؛ ما يعني امتلاكها بنية مجهرية ما، أو شعرا.
[/rtl]
[rtl]مفارقة (9) المعلومات. يؤدي تبخر <هوكنگ> أيضا إلى ظهور تحد للنظرية الكمومية. فوفق حسابات <هوكنگ> لا تعتمد الجسيمات الهاربة من ثقب أسود إطلاقا على خواص المادة التي دخلت الثقب – والتي تكون عادة ناجمة عن انهيار نجم ضخم الكتلة. فعلى سبيل المثال، يمكن إرسال ورقة مع رسالة إلى داخل الثقب الأسود ولن توجد أي طريقة لإعادة تركيب الرسالة من الجسيمات النهائية الصادرة. فبمجرد عبور الورقة الأفق لا تستطيع التأثير في أي شيء يخرج بعد ذلك، لأنه لا يمكن لمعلومات أن تهرب من داخل الثقب. وتوصف كل منظومة، في ميكانيك الكم، بصيغة تدعى الدالة(10) الموجية، التي تكوّد (ترمز) encode فرص وجود المنظومة في حالة معينة.
[/rtl]
[rtl]وفي تجربة <هوكنگ> الذهنية، يعني ضياع المعلومات عدم وجود طريقة للتنبؤ بالدالة الموجية لإشعاع <هوكنگ> اعتمادا على خواص الكتلة التي دخلت الثقب الأسود. وإن ضياع المعلومات غير ممكن في ميكانيك الكم؛ ما جعل <هوكنگ> يستخلص وجوب تعديل قوانين فيزياء الكم كي تسمح بفقدان مثل هذه المعلومات في الثقوب السوداء.
[/rtl]
[rtl]وقد تقول لنفسك الآن: «طبعا إن الثقوب السوداء تدمر المعلومات - فهي تدمر كل شيء يدخلها». ولكن، قارن هذا بما يحصل لو أننا ببساطة أحرقنا الورقة. فالرسالة ستتلاشى متمازجة scrambled بالتأكيد، ولن يكون من الممكن عمليا إعادة بنائها من الدخان. غير أن عملية الاحتراق موصوفة بميكانيك الكم العادي مطبقا على ذرات الورقة، ومن ثم سيعطي توصيف ميكانيك الكم للدخان دالة موجية معينة تعتمد على الرسالة الأصلية. إذن، يمكن من الناحية النظرية إعادة بناء الرسالة عبر الدالة الموجية. غير أنه في حالة الثقب الأسود، لن تكون هناك دالة موجية محددة للإشعاع الناتج.
[/rtl]
[rtl]وقد استنتج العديد من النظريين - استنادا إلى هذا التشابه - أن <هوكنگ> كان مخطئاً عندما اعتبر امتزاج المعلومات ضياعا واقعيا لها. إضافة إلى ذلك، فقد جادل البعض في أنه إذا كان من الممكن ضياع المعلومات، فإن ذلك عندئذ لن يحدث فقط في الحالة الغريبة وهي تبخر ثقب أسود بل سيحدث في كل مكان وفي جميع الأزمنة - ففي فيزياء ميكانيك الكم سيحدث أي شيء يمكن أن يحدث. وإذا كان <هوكنگ> على صواب، فإننا سوف نرى إشارات ذلك في الفيزياء اليومية، وربما يشمل ذلك، انتهاكات صريحة لقانون انحفاظ الطاقة.
[/rtl]
[rtl]ومع ذلك، فإن حجة <هوكنگ> صمدت أمام اعتراضات بسيطة. إذ إنه خلافا لحرق الورقة، فإن للثقوب السوداء آفاقاً لا تستطيع المعلومات الموجودة وراءها الهروب. لذلك، يبدو أننا نواجه مفارقة حادة: فإما أن نعدل ميكانيك الكم كي نسمح بفقد المعلومات أو أن نعدل نظرية النسبية لنسمح بهروب المعلومات من داخل الثقب الأسود.
[/rtl]
[rtl]وثمة احتمال ثالث أيضا - وهو أن الثقب الأسود لا يتبخر تبخرا كاملا بل ينتهي إلى بقية مجهرية تحوي جميع معلومات النجم الأصلي الذي أنشأه ذلك الثقب. غير أن لهذا «الحل» صعوباته الخاصة به. فعلى سبيل المثال، إن مثل هذا الجسم الصغير الحاوي هذه الكمية الضخمة من المعلومات سيخرق وينتهك فكرة إنتروبية <هوكنگ>-<بيكنشتاين>.
[/rtl]
ثقوب سوداء وبرينات(11)(****)
[rtl]إن نظرية الأوتار هي إحدى المحاولات لتصحيح بعض المشكلات التي تبزغ عندما تصطدم نظرية النسبية بميكانيك الكم، كما في حالة الثقوب السوداء. وتستبدل هذه النظرية عرى دقيقة وصغيرة أو قطعا من وتر بالجسيمات الشبيهة بالنقطة التي ترد في نظريات سبقتها. ووفق هذا يمكن لهذه الأوتار أن تقضي على بعض الصعوبات الرياضياتية الناشئة عند ضم ميكانيك الكم إلى نظرية النسبية. غير أن استعمال الأوتار مكان النقاط لا يغير مباشرة قصة الثقب الأسود.
[/rtl]
[rtl]لقد حدث الاختراق عام 1995، عندما كنت أبحث في نوع آخر من التجارب الذهنية التي تتناول دراسة الأوتار في فضاءات صغيرة. واعتمادا على عمل قمت به بالتعاون مع آخرين قبل بضع سنوات، بينت أن نظرية الأوتار كما كانت تفهم آنئذ ليست كاملة، بل تتطلب وجود أشياء ذات أبعاد أكثر من الأبعاد الأربعة المألوفة لدينا: الأبعاد الثلاثة المكانية والبعد الزمني الرابع. ففي الثقوب السوداء تكون هذه الأشياء ذات الأبعاد العليا التي تدعى البرينات -Dا(12) بالغة الصغر وملتفة في أبعاد مخفية صغيرة جدا بحيث لا يمكننا كشفها. وفي السنة التالية بَيّن <A. سترومنگر> و <C. فاڤا>، اللذان يعملان الآن في جامعة هارڤارد، أن الأوتار والبرينات -D معا تزودنا بالعدد الدقيق من القسيمات اللازم لتفسير إنتروبية الثقوب السوداء، على الأقل من أجل ثقوب سوداء معينة ذات تناظرات عالية جدا. وهكذا، فإن أحجية الإنتروبية قد حلت جزئيا.
[/rtl]
[وفرة المفارقات(13)]
حل ألغاز الثقب الأسود(*****)
بيّن <S. هوكنگ> عام 1974 وجود تسرب كمية صغيرة من الإشعاع خارجة من الثقوب السوداء. فوفق ميكانيك الكم، تنبثق أزواج من الجسيمات ومضاداتها المادية بصورة مستمرة نحو الوجود ثم تختفي بعد لحظات ويحدث هذا في كامل الكون. ولاحظ <هوكنگ> أنه عند ظهور زوج قرب أفق الثقب الأسود، يمكن لأحد جسيمي الزوج أن يسقط عائدا إلى الثقب بينما يمكن للآخر أن يهرب. وهذه الظاهرة التي تدعى إشعاع <هوكنگ> تثير بعض الأحاجي والألغاز بخصوص قوانين الفيزياء داخل الثقوب السوداء.
مسألة الإنتروبية
ويشير طيف الإصدار لإشعاع <هوكنگ> إلى أن للثقوب السوداء درجات حرارة. وتنشأ الحرارة تقليديا عن حركات الذرات داخل جسم ما. ويعني وجود درجات حرارة لثقوب سوداء تكونها من بنى جزئية - نوع معين من لبنات بناء داخلية يمكن أن تعيد ترتيب نفسها. وتعطي إمكانية وجود ترتيبات مختلفة لهذه اللبنات الثقوب السوداء قياسا لعدم الترتيب - «إنتروبية»، وفق صورة ميكانيك الكم لإشعاع <هوكنگ>. غير أن الإنتروبية ممنوعة على الثقوب السوداء وفق النسبية العامة، لأن النظرية تتطلب أن تكون الثقوب السوداء ملساء جدا، بدون بنية جزئية.
مفارقة المعلومات
وفق الصورة المعيارية لميكانيك الكم، لا يمكن للمعلومات أن تُدمّر أبدا. فحتى عند حرق رسالة مثلا، يحتفظ بالمعلومات الأصلية المرمزة ضمن ذرات الرسالة في رمادها. غير أن إشعاع <هوكنگ> يقتضي تدمر معلومات المادة التي تسقط في الثقوب السوداء؛ لأن الجسيمات الهاربة لا تعتمد بتاتا على خواص الذرات التي سقطت في الثقب في البداية. واقترح <هوكنگ> إمكان تعديل ميكانيك الكم ليسمح بفقد المعلومات هذا.
تخمينات سابقة (غير ظاهرة في الشكل) ...
في جهد لحل هذه الأحجيات، بحث الفيزيائيون عن طرائق جديدة لضم النسبية العامة وميكانيك الكم في نظرية متماسكة تفسر الثقوب السوداء. فقد كانت نظرية الأوتار أحد هذه الاختراقات، وهي تقول إن الجسيمات في الحقيقة عرى دقيقة وصغيرة من أوتار مهتزة. وهذه النظرية بدت قادرة على حل بعض عناصر مفارقة المعلومات ومسألة الإنتروبية.
.... قادت إلى جدران النار
مع ذلك، قادت حلول نظرية الأوتار إلى نتيجة مفاجئة هي: إمكان كون الثقوب السوداء محاطة بجدران نار – جدران من جسيمات عالية الطاقة تمحو أي جسم يواجهها. ويبدو أن جدران النار تقتضي انكسارا حادا في قوانين الفيزياء عند حدود الثقوب السوداء وقد تقود إلى استنتاجات متطرفة، مثل احتمال أن يؤشر جدار النار إلى نهاية المكان والزمان بالكامل.
|
[rtl]وكان السؤال التالي: ماذا عن فقد المعلومات؟ لقد أتى <J. مالداسينا> عام 1997(14)، بطريقة تتجاوز مسألة فقد المعلومات – وهو حل يدعى أحيانا مثنوية <مالداسينا>(15). والمثنوية هي تكافؤ مدهش بين شيئين يبدوان لأول وهلة مختلفين جدا. وتبين مثنوية <مالدسينا> أن الرياضيات اللازمة لضم ميكانيك الكم والثقالة معا - نظرية كمومية للثقالة - اعتمادا على نظرية الأوتار مكافئة لرياضيات نظرية الكم العادية ضمن مجموعة شروط خاصة. وبخاصة، تتكافأ فيزياء الكم لثقب أسود مع فيزياء غاز عادي حار من جسيمات نووية. وهذا يعني أيضا أن الزمكان يختلف عما نتلقاه اختلافا أساسيا، فهو أقرب شبها بهولوغرام ثلاثي الأبعاد(16) ناجم بالإسقاط عن سطح أكثر أساسية لكرة ثنائية البعد(17).
[/rtl]
[rtl]لقد حصل الفيزيائيون أيضا مع صفقة استعمال مثنوية <مالداسينا> على طريقة لوصف ميكانيك الكم للثقوب السوداء. فإذا كانت فرضيات <مالداسينا> صحيحة، أمكن تطبيق قوانين ميكانيك الكم العادية على الثقالة أيضا، ومن ثم لن يكون هناك فقد بالمعلومات. ويمكن بمناقشة أقل مباشرة القول بعدم إمكان ترك الثقوب السوداء المتبخرة أي بقية؛ لذا يتعين أن تخرج المعلومات مع إشعاع <هوكنگ>.
[/rtl]
[rtl]إن مثنوية <مالدسينا> أقرب ما استطعنا الوصول إليه لتوحيد نظرية النسبية العامة مع ميكانيك الكم، وقد اكتشفها <مالداسينا> عند متابعته لأحجيتي إنتروبية الثقب الأسود وفقد المعلومات. فهي لم تثبت صحتها حتى الآن، لكنها مدعومة بأدلة كثيرة - كانت كافية لتدفع <هوكنگ> عام 2004 إلى الإعلان عن تغيير رأيه بخصوص حاجة الثقوب السوداء إلى فقد المعلومات، ودفع علنا رهانا كان قد راهنه مع الفيزيائي <J. پريسكل> في المؤتمر العالمي للنسبية العامة والثقالة الذي عُقد في دبلن.
[/rtl]
[rtl]لقد اعتقد الفيزيائيون على نطاق واسع بعدم إمكان أي مراقب منفرد رؤية خرق لنظرية النسبية أو أي قانون آخر قرب ثقب أسود يعيش وفق قواعد <مالداسينا>، مع أن مثنويته لا تزال قاصرة في أنها لا تعطي تفسيرا واضحا لكيفية خروج المعلومات من داخل ثقب أسود إلى خارجه.
[/rtl]
[rtl]ومنذ نحو عشرين عاما، اقترح <L. سوسكند> [من جامعة ستانفورد] و<G. هوفت> [من جامعة أوترخت بهولندا] حلا لمسألة المعلومات الأصلية يتضمن نوعا من مبدأ النسبية سموه تكاملية(18) complementarityالثقب الأسود. وتقول مناقشتهما في أصلها إن المراقب الذي يقفز إلى داخل ثقب أسود يرى المعلومات في الداخل، بينما الآخر الذي بقي في خارجه يراها خارجة. فليس هناك أي تناقض لأن هذين المراقبين لا يستطيعان التواصل.
[/rtl]
جدار النار(******)
[rtl]لقد بدت مثنوية <مالداسينا> وتكاملية الثقب الأسود كافيتين للتخلص من جميع المفارقات، لكنه ما زال الكثير من التفصيلات الجزئية في حاجة إلى الاستكمال. فمنذ ثلاث سنوات حاول تعاوننا الرباعي AMPS صناعة نموذج لكيفية عمل الصورة المركبة، اعتمادا على أفكار الفيزيائيين <S. ماتور> [من جامعة أوهايو الحكومية] و<S. گيدينك> [من سانتا باربارا] (وبتعميمنا لمناقشة سابقة لم تكن معروفة لدينا، قام بها <S. براونشتاين> [من جامعة يورك في إنكلترا]). وبعد فشلنا في بضع محاولات في التوصل إلى نموذج ناجح، ظهر لنا أن المسألة أعمق مما نستعمله من رياضيات قاصرة وأن هناك تناقضا يبقى قائما.
[/rtl]
[rtl]وقد انبثق هذا التناقض عند دراستنا لظاهرة التشابك الكمومي(19) - أكثر الأجزاء غير الفطرية من نظرية الكم (النظرية الكمومية) وأحد الأجزاء الأبعد عن خبرتنا. فإذا كانت الجسيمات تشبه أحجار النرد، فالجسيمات المتشابكة ستكون كحجري نرد مجموعهما سبعة دائما: فإذا رميتهما وظهر أحدهما بالرقم اثنين، فإن الثاني سيظهر دائما بالرقم خمسة، وقس على ذلك. وبصورة مشابهة، عندما يقيس العلماء خواص جسيم متشابك، فإن القياس سيعين أيضا خواص رفيقه. وهناك نتيجة إضافية للنظرية الكمومية تقول بإمكان تشابك جسيم مع جسيم آخر واحد فقط تشابكا تاما: فإذا تشابك جسيم B مع جسيم A، فلا يمكن له أن يتشابك أيضا مع جسيم ثالث C. فالتشابك كالزواج أحادي الزوجة.
[/rtl]
[rtl]وفي حالة الثقب الأسود، نأخذ فوتون <هوكنگ> جسيما نسميه ”B“ صدر عن ثقب أسود كان نصف متبخر على الأقل. وتتضمن سيرورة <هوكنگ> عندئذ أن ”B“ هو أحد عنصري زوج ولندع قرينه الذي يسقط في الثقب الأسود ”A“، أي إن ”A“ و”B“ متشابكان. ويضاف إلى ذلك أن المعلومات الأصلية التي وقعت في الثقب الأسود قد تم ترميزها (تكويدها) بواسطة جسيمات إشعاع <هوكنگ> جميعها. والآن، إذا لم تفقد المعلومات، ووصل فوتون <هوكنگ> الخارج ”B“ في حالة كمومية معينة، تعين أن يكون ”B“ متشابكا مع تركيبة ما ”C“ لجسيمات <هوكنگ> الأخرى التي أفلتت من قبل (وإلا، فإن الخرج لن يحقق حفظ المعلومات). عندها سنجد تناقضا: تعدد الزوجات!
[/rtl]
[rtl]والثمن الذي ندفعه لإنقاذ ميكانيك الكم محافظين على التشابك بين B و C مع عدم امتلاكنا أي شيء آخر غير معتاد خارج الثقب الأسود، هو فقدان التشابك بين A و B. وحيث إن فوتوني <هوكنگ> A و B قد ابتدآ تماما داخل الأفق وخارجه حيث نشآ على صورة زوج عابر من جسيم وجسيم مضاد، فإن تكلفة فك هذا التشابك وفق النظرية الكمومية تكون طاقة، كتكلفة فك رابطة كيميائية. ومن ثم، فإن فك التشابك لجميع أزواج <هوكنگ> يتضمن أن الأفق جدار من جسيمات عالية الطاقة، دعوناه جدار نار. وإن رائد فضاء يسقط في ثقب أسود سيواجه عند عبوره الأفق شيئا دراميا عوضا عن أن يسقط بحرية.
[/rtl]
[rtl]لقد كان إيجاد مثل هذا الابتعاد الكبير عن النسبية العامة - أي وجود جدار من الطاقة في مكان حيث من المفترض عدم حدوث أي شيء غير اعتيادي - أمرا مقلقا، لكن الحجة كانت بسيطة ولم نجد فيها عيبا. فنحن عمليا، أجرينا حجة <هوكنگ> الأصلية في الاتجاه العكسي مفترضين أن المعلومات لم تفقد وذلك مع متابعة إلى ماذا يؤدي هذا الافتراض. فاستنتجنا أنه خلافا لآثار التكاملية الدقيقة يوجد انهيار درامي للنسبية العامة. وعندما بدأنا بوصف حجتنا للآخرين كانت ردة الفعل العامة متشككة في البدء، لكن بعد ذلك، وجد الكثيرون فيها حيرة مماثلة لما عانينا.
[/rtl]
[rtl]فإما أن توجد جدران النار الغريبة هذه حقيقة، أو أنه يبدو علينا مجددا التخلي عن بعض الأسس الراسخة للنظرية الكمومية. وقد لا تدمر وتضيع المعلومات، ولكن ربما توجد ضرورة لإعادة كتابة بعض مفاهيم ميكانيك الكم. ولسوء الحظ، فإن مشاهدة ثقوب سوداء حقيقية لن تقرر صحة القضية - إذ إن أي إشعاع من جدران النار ستضعفه قوة الجر الثقالية من الثقب الأسود جاعلة رؤية جدار النار صعبة جدا.
[/rtl]
نهاية المكان (الفضاء)(*******)
[rtl]يضاف إلى ذلك السؤال التالي، إذا كان جدار النار موجودا، فما هو؟ وتكمن إحدى الأفكار في أن جدار النار هو ببساطة نهاية المكان. فربما شروط تكون الزمكان غير محققة داخل الثقب الأسود. وكما أشار مرة <مارولف>، يمكن ألا يقدر داخل الثقب الأسود على التكون، لأن «الذاكرة الكمومية للثقوب السوداء ممتلئة». وإذا كان متعذرا حدوث الزمكان في الداخل، فإن المكان سينتهي عند الأفق، وإن رائد الفضاء الساقط نحوه ليصطدم به سوف يتحلل إلى قسيمات كمومية تقبع عند هذه الحدود.
[/rtl]
[rtl]وكي نتجنب مثل هذه السيناريوهات العجيبة، حاول الفيزيائيون تجاوز نتيجة ظهور جدار النار. فقـد كانت إحدى الأفكار هي التالية: طالما أنه يجب على جسيم إشعاع <هوكنگ> B أن يتشابك مع A و C كليهما، إذن لابد أن يكون A جزءا من C؛ أي إن الفوتون الواقع خلف الأفق هو بطريقة ما القسيم bit نفسه الذي تم ترميزه (تكويده) ضمن إشعاع <هوكنگ> السابق، مع كونهما في مكانين مختلفين جدا. وهذه الملاحظة تشبه إلى حد ما الفكرة الأصلية لتكاملية الثقب الأسود، غير أن صناعة نموذج واقعي ومتماسك لهذا السيناريو يبدو أنها ستوصل المرء في النهاية إلى ضرورة تعديل ميكانيك الكم ثانية. وكانت أجرأ الأفكار الأساسية التي قدمها <مالداسينا> و<سوسكند> هي أن عنصري كل زوج من الجسيمات المتشابكة مرتبطان بثقب دودي زمكاني مجهري؛ لذلك فإن منطقة ضخمة من الزمكان، مثل المنطقة الداخلية لثقب أسود، يمكن بناؤها من مقادير كبيرة من التشابكات.
[/rtl]
[rtl]واقترح <هوكنگ> أن تكون نظرية النسبية العامة صالحة لوصف الثقوب السوداء بينما ميكانيك الكم غير صالح لها. وتوصل <مالداسينا> إلى عدم تعديل ميكانيك الكم، لكن الزمكان هولوغرافي holographic، أي مثل الهولوغرام الثنائي البعد يحتفظ بصورة لأجسام ثلاثية البعد. وقد تكون الحقيقة في مكان ما في الوسط.
[/rtl]
[rtl]لقد اقترحت أفكار عديدة أخرى، معظمها يدعو إلى التخلي عن مبدأ بارز أو آخر ولا يوجد توافق عام يشير إلى الاتجاه الصحيح لحل هذه المسائل. والسؤال المشترك فيها ما هي مقتضيات جدران النار بالنسبة إلى الثقوب السوداء في الحياة الواقعية، كالثقب الأسود الموجود في مركز مجرة درب التبانة؟ وهذا من المبكر جدا الكلام بخصوصه.
[/rtl]
[rtl]إن الباحثين المستقصين الحقيقة الفيزيائية في حالة إثارة في الوقت الحاضر لأنهم اكتشفوا تناقضا جديدا بين نظريتين من النظريات المركزية في الفيزياء. وعدم تمكننا من القول بشكل قاطع، بوجود جدار نار أم لا يظهر حدودا على صياغاتنا الحالية للثقالة الكمومية، ولذلك يعيد الفيزيائيون النظريون التفكير في فرضياتهم الأساسية حول عمل الكون، وقد ينتج من ذلك فهم أعمق لطبيعة المكان والزمان وللمبادئ التي تحكم جميع قوانين الفيزياء. وفي النهاية، فإن كشف التضاربات الحادثة في قلب جدران النار لثقب أسود قد يوصلنا إلى الخرق الذي نحتاج إليه لتوحيد ميكانيك الكم ونظرية النسبية العامة في نظرية عاملة واحدة.
[/rtl]
[rtl]المؤلف[/rtl]| | Joseph Polchinski |
<پولشنسكي> أستاذ فيزياء في جامعة كاليفورنيا بسانتا باربرا، وعضو دائم في معهد كاڤلي للفيزياء النظرية فيها. ويبحث في مجالات مختلفة من الفيزياء النظرية، لكنه منقاد إلى الإجابة عن سؤالين كبيرين هما: كيف تعمل المثنوية؟ وماهية الثقالة الكمومية؟ وهو يركب دراجته أوقات فراغه عبر هضاب سانتا باربرا. | |
مراجع للاستزادة
حلقات حرق من نار(*)
اليوم في 4:08 pm من طرف