تويت
تنمو الثقوب السوداء بشكل ثابت دون أن يتغير حجمها، وبات بإمكان الفيزياء تفسير الأمر.
ليونارد سسكيند وهو رائد في نظرية الأوتار والتصوير المجسم وغيرها من الأفكار الفيزيائية المهمة المنتشرة خلال النصف المنصرم من القرن؛ اقترح حلًا للغز كبير محيّر بشأن الثقوب السوداء.
على الرغم من أن هذه الثقوب الغامضة وغير المرئية تبدو ثابتة الحجم من الخارج، إلا أن حجمها الباطن يبقى في تزايد مستمر. كيف يمكن حدوث ذلك؟
من خلال مجموعة من الدراسات والنقاشات، خمّن البروفيسور سسكيند من جامعة ستانفورد ومجموعة من معاونيه أن الزيادة في حجم الثقوب السوداء سببها الزيادة في تعقيدها، و على الرغم من أن هذه الفكرة لا تزال غير مُثبتة إلا أنها بمثابة وقود لرحلة بحث جديد عن الطبيعة الكمّية للجاذبية داخل الثقوب السوداء.
ونستطيع القول أن الثقوب السوداء هي عبارة عن مناطق كروية مكونة من جاذبية هائلة تمنع حتى الضوء من اجتيازها. اكتُشفت هذه الثقوب تقريبًا منذ القرن الماضي، وكانت بمثابة حلول صادمة لمعادلات النسبية الخاصة بأينشتاين؛ وقد كُشِفَت هذه الثقوب لأول مرة عبر الكون إذ تشكلت من انهيار الجاذبية الداخلية لنجوم منطفئة.
نظرية أينشتاين تساوي بين قوة الجاذبية و الأقواس في الزمكان و نسيج البعد الرابع للكون ولكن الجاذبية في الثقوب السوداء تصبح كبيرة لدرجة تؤدي لانحناء نسيج الزمكان باتجاه نقطة انكساره أو انهياره – الكثافة الهائلة اللامتناهية التي يتفرد بها مركز الثقب الاسود.
بحسب النظرية النسبية العامة فإن انهيار الجاذبية الداخلي لا يتوقف أبدًا؛ رغمًا أن الثقب الأسود يبدو ذا حجم ثابت بالنسبة لمراقب خارجي إلا في حال سقوط أشياء جديدة داخله، وحجمه الداخلي يزداد ليصبح أكبر وأكبر كلما تمدّد الكون نحو نقطة المركز.
لكي نصل إلى صورة أبسط لهذه الزيادة في الحجم؛ تخيّل أن الثقب الأسود هو عبارة عن قناة تتمدد نزولًا باتجاه صفيحة ثنائية البعد تمثّل بنية الزمكان. تصبح هذه القناة أعمق وأعمق وبذلك فإن الأشياء التي تسقط داخلها لن تصل أبدًا إلى العمق الغامض واللامتناهي. في الواقع الثقب الأسود هو قناة تتمدد باتجاه الداخل من الاتجاهات المكانية الثلاثة.
يحيط بالثقب الأسود حد دائري يسمى أفق الحدث الذي يحدد نقطة اللاعودة.
منذ العقد 1970-1980 لاحظ العلماء أن الثقوب السوداء لا بد أن تكون نظمًا كميّة بشكل ما كأي شيء آخر في الكون.
إن ما تصفه نظرية أينشتاين كتشوه في الزمكان داخل الثقوب السوداء من المحتمل أن يكون حالة اجتماع لأعداد هائلة من جزيئات الجاذبية التي توصف بدقة من قبل النظرية الكميّة للجاذبية.
وفي هذه الحالة كل الخصائص المعروفة للثقوب السوداء لا بد أن تقود إلى خصائص هذا النظام الكمّي.
في الواقع توصّل الفيزيائي الإسرائيلي جاكوب بكنيستين إلى فهم أن منطقة أفق الحدث الدائرية للثقب الأسود تطابق الأنتروبيا الخاصة به.
والمقصود بذلك عدد الترتيبات أو التنسيقات المختلفة المحتملة لجميع الجزيئات داخل الثقب الأسود؛ أو السعة التخزينية للثقب الأسود من المعلومات كما يصفه الباحثون في الجانب النظري اليوم.
ألهم ستيفن هوكين الفيزيائي بكنيستين ليدرك بعد أبحاث امتدت لعامين أن للثقوب السوداء درجات حرارة وأنها تنشر أو تُشع السخونة.
يسبب هذا الإشعاع تلاشي الثقوب السوداء ببطء مما يسبب المزيد من النقاشات حول الفكرة المنتشرة والموهمة بالصحة (المعلومات في الثقوب السوداء) ليغدو السؤال اليوم: ما مصير المعلومات التي تسقط في الثقوب السوداء عند تلاشي هذه الثقوب؟
ينص الميكانيك الكمّي على أن الكون يحتفظ بكل المعلومات عن الماضي ولكن كيف يمكن للمعلومات حول الأشياء المتلاشية والتي يبدو أنها سقطت إلى الغموض المركزي الذي يتفرد به الثقب الأسود أن تتلاشى أيضًا؟
إن العلاقة بين سطح الثقوب السوداء والمعلومات المحتواة في داخلها أبقت علماء الجاذبية القائمة على الكم منشغلين لعقود من الزمن.
وقد يطرح أحدهم السؤال التالي: ما الذي يوافق الزيادة في الحجم الداخلي للثقوب السوداء ضمن شروط ميكانيك الكم؟
يقول سسكيند: “لا أحد بمن فيهم أنا قد فكّر يومًا خلال عدة سنوات فائتة بمعنى ذلك؛ ما هو الشيء الذي يكبر بالتحديد؟” لا بد أن تكون الإجابة واحدة من الحقائق التي ستحل لغز الثقوب السوداء.
خلال السنوات الفائتة القليلة ومع تزايد استخدام الحوسبة الكمومية اكتسب الفيزيائيون تبصُّرًا جديدًا حول الأنظمة الفيزيائية مثل الثقوب السوداء من خلال دراسة معلوماتها وإمكانية تطويرها كما لو استخدمت كحواسيب كمومية. قادت هذه الزاوية من الدراسة البروفيسور سسكيند ومعاونيه إلى تعريف محتمل لتطور الخاصة الكمية للثقوب السوداء والتي يتخفّى وراءها سبب الزيادة في حجم هذه الثقوب.
يقول علماء النظريات أن ما يتغير حقًا هو تعقيد هذه الثقوب أي مقياس لعدد الحسابات التي نحتاجها لاستعادة الحالة الكمية الأولية للثقب الأسود في اللحظة التي تشكل فيها. ومن ثم المعلومات المخزنة فيه بوصفها جزيئات داخل الثقب الأسود تتفاعل مع بعضها البعض وبالتالي فإن الوصول إلى معلومات حول الحالة الأولية للثقب يصبح أكثر تشويشًا ويستمر التعقيد بالازدياد.
أظهر سسكيند ومساعدوه باستخدام النماذج التي تُظهر الثقوب السوداء كمجسمات بأن الزيادة في حجم وتعقيد الثقوب السوداء يحدث بالتزامن ما يدعم فكرة أن أحد العاملَين أساسٌ للآخر.
فعندما توصلت حسابات بكنستين إلى أن الثقوب السوداء تخزن أكبر كمية ممكنة من المعلومات؛ كانت أبحاث سسكيند قد توصلت إلى اقتراح أن الزيادة في التعقيد يأخذ أسرع معدل مسموح به من قبل قوانين الفيزياء.
جون بريسكل هو عالم فيزياء نظرية في الاتحاد التكنولوجي في كاليفورنيا والذي درس الثقوب السوداء بالاعتماد على معلومات نظرية الكم؛ وجد فكرة سسكيند مشوقة للغاية.
ويقول: “من الممتع أن تكون هذه الفكرة حول التعقيد الحسابي والتي قد لا تخطر على بال عالم حاسوب، بعيدة كل البعد عن الحقائق والأفكار الفيزيائية المعتادة والتي قد تقود إلى شيء عادي ومألوف بالنسبة لشخص لديه فكرة عامة حول النسبية”، وهو يعني بذلك الزيادة في الحجم الداخلي للثقوب السوداء.
لا يزال الباحثون في حالة حيرة نوعًا ما بشأن نتائج نظرية سسكيند.
يقول آرون وول وهو باحث في ستانفورد (انتقل حديثا إلى جامعة كامبريدج): على الرغم من كون هذا الاقتراح مثيرًا للاهتمام إلا أنه لا يزال تخمينيًا بلأحرى وقد لا تثبت صحته.
يكمن التحدي في تعريف التعقيد في سياق الثقب الأسود لتوضيح إمكانية التفاعلات الكمية في زيادة الحجم المكاني.
بالنسبة لدوغلاس ستانفورد؛ المتخصص في دراسة الثقوب السوداء من اتحاد العلوم المتقدمة في برينستون- نيوجيرسي؛ فإن الثقوب السوداء تمتلك ساعة داخلية تحتفظ بالوقت لمدة طويلة جدًا وهذا هو التعقيد بالنسبة للنظام الكمي العادي، أما بالنسبة للثقب الأسود فهذا هو حجم المنطقة خلف الأفق.
في حال كان التعقيد هو السبب الكامن وراء الزيادة في الحجم المكاني للثقب الأسود فإن سسكيند يتصور وجود مصادفات من أجل فهمنا للكوزمولوجيا عامّة إذ يقول: “إن الزيادة في الحجم لا تقتصر على داخل الثقوب السوداء ففضاء الكوزمولوجيا ينمو بمرور الوقت أيضًا، إنه سؤال ممتع ومشوق حقًّا فهل يمكن لنمو كوزمولوجيا الفضاء أن ترتبط بشكل ما بالتطور في تعقيد الثقوب السوداء؟ حسنا أنا لا أعرف الإجابة على ذلك حقًّا”.
ليونارد سسكيند وهو رائد في نظرية الأوتار والتصوير المجسم وغيرها من الأفكار الفيزيائية المهمة المنتشرة خلال النصف المنصرم من القرن؛ اقترح حلًا للغز كبير محيّر بشأن الثقوب السوداء.
على الرغم من أن هذه الثقوب الغامضة وغير المرئية تبدو ثابتة الحجم من الخارج، إلا أن حجمها الباطن يبقى في تزايد مستمر. كيف يمكن حدوث ذلك؟
من خلال مجموعة من الدراسات والنقاشات، خمّن البروفيسور سسكيند من جامعة ستانفورد ومجموعة من معاونيه أن الزيادة في حجم الثقوب السوداء سببها الزيادة في تعقيدها، و على الرغم من أن هذه الفكرة لا تزال غير مُثبتة إلا أنها بمثابة وقود لرحلة بحث جديد عن الطبيعة الكمّية للجاذبية داخل الثقوب السوداء.
ونستطيع القول أن الثقوب السوداء هي عبارة عن مناطق كروية مكونة من جاذبية هائلة تمنع حتى الضوء من اجتيازها. اكتُشفت هذه الثقوب تقريبًا منذ القرن الماضي، وكانت بمثابة حلول صادمة لمعادلات النسبية الخاصة بأينشتاين؛ وقد كُشِفَت هذه الثقوب لأول مرة عبر الكون إذ تشكلت من انهيار الجاذبية الداخلية لنجوم منطفئة.
نظرية أينشتاين تساوي بين قوة الجاذبية و الأقواس في الزمكان و نسيج البعد الرابع للكون ولكن الجاذبية في الثقوب السوداء تصبح كبيرة لدرجة تؤدي لانحناء نسيج الزمكان باتجاه نقطة انكساره أو انهياره – الكثافة الهائلة اللامتناهية التي يتفرد بها مركز الثقب الاسود.
بحسب النظرية النسبية العامة فإن انهيار الجاذبية الداخلي لا يتوقف أبدًا؛ رغمًا أن الثقب الأسود يبدو ذا حجم ثابت بالنسبة لمراقب خارجي إلا في حال سقوط أشياء جديدة داخله، وحجمه الداخلي يزداد ليصبح أكبر وأكبر كلما تمدّد الكون نحو نقطة المركز.
لكي نصل إلى صورة أبسط لهذه الزيادة في الحجم؛ تخيّل أن الثقب الأسود هو عبارة عن قناة تتمدد نزولًا باتجاه صفيحة ثنائية البعد تمثّل بنية الزمكان. تصبح هذه القناة أعمق وأعمق وبذلك فإن الأشياء التي تسقط داخلها لن تصل أبدًا إلى العمق الغامض واللامتناهي. في الواقع الثقب الأسود هو قناة تتمدد باتجاه الداخل من الاتجاهات المكانية الثلاثة.
يحيط بالثقب الأسود حد دائري يسمى أفق الحدث الذي يحدد نقطة اللاعودة.
منذ العقد 1970-1980 لاحظ العلماء أن الثقوب السوداء لا بد أن تكون نظمًا كميّة بشكل ما كأي شيء آخر في الكون.
إن ما تصفه نظرية أينشتاين كتشوه في الزمكان داخل الثقوب السوداء من المحتمل أن يكون حالة اجتماع لأعداد هائلة من جزيئات الجاذبية التي توصف بدقة من قبل النظرية الكميّة للجاذبية.
وفي هذه الحالة كل الخصائص المعروفة للثقوب السوداء لا بد أن تقود إلى خصائص هذا النظام الكمّي.
في الواقع توصّل الفيزيائي الإسرائيلي جاكوب بكنيستين إلى فهم أن منطقة أفق الحدث الدائرية للثقب الأسود تطابق الأنتروبيا الخاصة به.
والمقصود بذلك عدد الترتيبات أو التنسيقات المختلفة المحتملة لجميع الجزيئات داخل الثقب الأسود؛ أو السعة التخزينية للثقب الأسود من المعلومات كما يصفه الباحثون في الجانب النظري اليوم.
ألهم ستيفن هوكين الفيزيائي بكنيستين ليدرك بعد أبحاث امتدت لعامين أن للثقوب السوداء درجات حرارة وأنها تنشر أو تُشع السخونة.
يسبب هذا الإشعاع تلاشي الثقوب السوداء ببطء مما يسبب المزيد من النقاشات حول الفكرة المنتشرة والموهمة بالصحة (المعلومات في الثقوب السوداء) ليغدو السؤال اليوم: ما مصير المعلومات التي تسقط في الثقوب السوداء عند تلاشي هذه الثقوب؟
ينص الميكانيك الكمّي على أن الكون يحتفظ بكل المعلومات عن الماضي ولكن كيف يمكن للمعلومات حول الأشياء المتلاشية والتي يبدو أنها سقطت إلى الغموض المركزي الذي يتفرد به الثقب الأسود أن تتلاشى أيضًا؟
إن العلاقة بين سطح الثقوب السوداء والمعلومات المحتواة في داخلها أبقت علماء الجاذبية القائمة على الكم منشغلين لعقود من الزمن.
وقد يطرح أحدهم السؤال التالي: ما الذي يوافق الزيادة في الحجم الداخلي للثقوب السوداء ضمن شروط ميكانيك الكم؟
يقول سسكيند: “لا أحد بمن فيهم أنا قد فكّر يومًا خلال عدة سنوات فائتة بمعنى ذلك؛ ما هو الشيء الذي يكبر بالتحديد؟” لا بد أن تكون الإجابة واحدة من الحقائق التي ستحل لغز الثقوب السوداء.
خلال السنوات الفائتة القليلة ومع تزايد استخدام الحوسبة الكمومية اكتسب الفيزيائيون تبصُّرًا جديدًا حول الأنظمة الفيزيائية مثل الثقوب السوداء من خلال دراسة معلوماتها وإمكانية تطويرها كما لو استخدمت كحواسيب كمومية. قادت هذه الزاوية من الدراسة البروفيسور سسكيند ومعاونيه إلى تعريف محتمل لتطور الخاصة الكمية للثقوب السوداء والتي يتخفّى وراءها سبب الزيادة في حجم هذه الثقوب.
يقول علماء النظريات أن ما يتغير حقًا هو تعقيد هذه الثقوب أي مقياس لعدد الحسابات التي نحتاجها لاستعادة الحالة الكمية الأولية للثقب الأسود في اللحظة التي تشكل فيها. ومن ثم المعلومات المخزنة فيه بوصفها جزيئات داخل الثقب الأسود تتفاعل مع بعضها البعض وبالتالي فإن الوصول إلى معلومات حول الحالة الأولية للثقب يصبح أكثر تشويشًا ويستمر التعقيد بالازدياد.
أظهر سسكيند ومساعدوه باستخدام النماذج التي تُظهر الثقوب السوداء كمجسمات بأن الزيادة في حجم وتعقيد الثقوب السوداء يحدث بالتزامن ما يدعم فكرة أن أحد العاملَين أساسٌ للآخر.
فعندما توصلت حسابات بكنستين إلى أن الثقوب السوداء تخزن أكبر كمية ممكنة من المعلومات؛ كانت أبحاث سسكيند قد توصلت إلى اقتراح أن الزيادة في التعقيد يأخذ أسرع معدل مسموح به من قبل قوانين الفيزياء.
جون بريسكل هو عالم فيزياء نظرية في الاتحاد التكنولوجي في كاليفورنيا والذي درس الثقوب السوداء بالاعتماد على معلومات نظرية الكم؛ وجد فكرة سسكيند مشوقة للغاية.
ويقول: “من الممتع أن تكون هذه الفكرة حول التعقيد الحسابي والتي قد لا تخطر على بال عالم حاسوب، بعيدة كل البعد عن الحقائق والأفكار الفيزيائية المعتادة والتي قد تقود إلى شيء عادي ومألوف بالنسبة لشخص لديه فكرة عامة حول النسبية”، وهو يعني بذلك الزيادة في الحجم الداخلي للثقوب السوداء.
لا يزال الباحثون في حالة حيرة نوعًا ما بشأن نتائج نظرية سسكيند.
يقول آرون وول وهو باحث في ستانفورد (انتقل حديثا إلى جامعة كامبريدج): على الرغم من كون هذا الاقتراح مثيرًا للاهتمام إلا أنه لا يزال تخمينيًا بلأحرى وقد لا تثبت صحته.
يكمن التحدي في تعريف التعقيد في سياق الثقب الأسود لتوضيح إمكانية التفاعلات الكمية في زيادة الحجم المكاني.
بالنسبة لدوغلاس ستانفورد؛ المتخصص في دراسة الثقوب السوداء من اتحاد العلوم المتقدمة في برينستون- نيوجيرسي؛ فإن الثقوب السوداء تمتلك ساعة داخلية تحتفظ بالوقت لمدة طويلة جدًا وهذا هو التعقيد بالنسبة للنظام الكمي العادي، أما بالنسبة للثقب الأسود فهذا هو حجم المنطقة خلف الأفق.
في حال كان التعقيد هو السبب الكامن وراء الزيادة في الحجم المكاني للثقب الأسود فإن سسكيند يتصور وجود مصادفات من أجل فهمنا للكوزمولوجيا عامّة إذ يقول: “إن الزيادة في الحجم لا تقتصر على داخل الثقوب السوداء ففضاء الكوزمولوجيا ينمو بمرور الوقت أيضًا، إنه سؤال ممتع ومشوق حقًّا فهل يمكن لنمو كوزمولوجيا الفضاء أن ترتبط بشكل ما بالتطور في تعقيد الثقوب السوداء؟ حسنا أنا لا أعرف الإجابة على ذلك حقًّا”.