يقول سمير ماذور - لطالما حاولنا فهم طبيعة الواقع، وكافحنا مع مفهوم الفراغ. حوالي عام 400 قبل الميلاد، عندما تصور الفيلسوف اليوناني القديم ديموقريطس وجود أجسام صغيرة غير قابلة للتجزئة تُعرف بالذرات، افترض أنه لا بد من وجود فراغ يحيط بها: فراغ خالٍ من أي ملامح، غير متغير، تتحرك فيه الذرات بحرية.
اليوم، لا يزال مفهوم الفراغ فكرة قوية لفهم الكون، لكننا أدركنا أنه ليس مجرد مساحة فارغة بلا ملامح. قبل أكثر من قرن، كشفت نظرية الجاذبية لألبرت أينشتاين أن الزمكان يتمدد ويتشوه بفعل المادة التي يحتويها. لاحقًا، قدمت ميكانيكا الكم فكرة الجسيمات الافتراضية، وهي جسيمات تظهر وتختفي في الفراغ للحظات وجيزة، مما جعل مفهوم العدم المطلق يبدو كحساء غامض ومضطرب.
هذا وحده كان كفيلًا بأن يصدم ديموقريطس، لكنني أعتقد أننا يجب أن نذهب إلى أبعد من ذلك. لقد أمضيت أربعة عقود في محاولة إيجاد طريقة للجمع بين نظرية الجاذبية لأينشتاين وميكانيكا الكم. قادني هذا البحث الطويل إلى استنتاج مذهل: هناك بنية غنية أخرى مخفية داخل الفراغ، ويمكن تتبعها إلى كيانات أثيرية تُعرف بالثقوب السوداء الافتراضية.
يمتد تأثير هذه الكيانات عبر الكون بأسره، حيث تربط الزمكان بطرق دقيقة تؤدي في النهاية إلى انهيار نظرية أينشتاين – مما يشكل جسرًا بين أصغر نطاق في عالم الكم والمقياس الكوني للجاذبية. والأكثر إثارة، أنني بدأت الآن في فهم كيف يمكن لهذه الخاصية الخفية للزمكان أن تكون المصدر للطاقة المظلمة، تلك القوة الغامضة التي تمزق الكون وتحيّر الفيزيائيين منذ زمن طويل.
لفهم كل هذا، دعونا نبدأ بمفهوم الثقوب السوداء كما تصفها نظرية الجاذبية لأينشتاين، النسبية العامة. تتشكل هذه الأجرام الهائلة عندما يستنفد نجم وقوده ويخضع لانهيار كارثي لا يمكن إيقافه. يتم سحب كل كتلة النجم إلى نقطة ذات كثافة لانهائية، مما يؤدي إلى تكوين حفرة عميقة في نسيج الزمكان. من هذه الحفرة، لا يمكن حتى للضوء أن يهرب. يُعرف الحد الفاصل لهذه المنطقة المظلمة بأفق الحدث، ويمكن أن يكون حجمه كبيرًا جدًا: فإذا انهارت الشمس لتصبح ثقبًا أسود، فسيكون أفق الحدث بحجم مدينة صغيرة.
نحن نعرف الكثير عن الثقوب السوداء؛ بل إننا التقطنا مؤخرًا صورًا للسطح الخارجي لأحدها، مما أكد شكل الحدود التي تتشكل بفعل فراغ الزمكان، كما تنبأت به النسبية العامة. ولكن إذا تمكنا من النظر إلى ما وراء أفق الحدث، فأعتقد أننا سنجد أن النسبية العامة تنهار هناك، وتبدأ فيزياء الكم بالسيطرة. ذلك لأن المبادئ الأساسية الأكثر تقديرًا في الفيزياء لا تتوافق مع الحفرة العميقة التي تتنبأ بها نظرية أينشتاين.
اليوم، لا يزال مفهوم الفراغ فكرة قوية لفهم الكون، لكننا أدركنا أنه ليس مجرد مساحة فارغة بلا ملامح. قبل أكثر من قرن، كشفت نظرية الجاذبية لألبرت أينشتاين أن الزمكان يتمدد ويتشوه بفعل المادة التي يحتويها. لاحقًا، قدمت ميكانيكا الكم فكرة الجسيمات الافتراضية، وهي جسيمات تظهر وتختفي في الفراغ للحظات وجيزة، مما جعل مفهوم العدم المطلق يبدو كحساء غامض ومضطرب.
هذا وحده كان كفيلًا بأن يصدم ديموقريطس، لكنني أعتقد أننا يجب أن نذهب إلى أبعد من ذلك. لقد أمضيت أربعة عقود في محاولة إيجاد طريقة للجمع بين نظرية الجاذبية لأينشتاين وميكانيكا الكم. قادني هذا البحث الطويل إلى استنتاج مذهل: هناك بنية غنية أخرى مخفية داخل الفراغ، ويمكن تتبعها إلى كيانات أثيرية تُعرف بالثقوب السوداء الافتراضية.
يمتد تأثير هذه الكيانات عبر الكون بأسره، حيث تربط الزمكان بطرق دقيقة تؤدي في النهاية إلى انهيار نظرية أينشتاين – مما يشكل جسرًا بين أصغر نطاق في عالم الكم والمقياس الكوني للجاذبية. والأكثر إثارة، أنني بدأت الآن في فهم كيف يمكن لهذه الخاصية الخفية للزمكان أن تكون المصدر للطاقة المظلمة، تلك القوة الغامضة التي تمزق الكون وتحيّر الفيزيائيين منذ زمن طويل.
لفهم كل هذا، دعونا نبدأ بمفهوم الثقوب السوداء كما تصفها نظرية الجاذبية لأينشتاين، النسبية العامة. تتشكل هذه الأجرام الهائلة عندما يستنفد نجم وقوده ويخضع لانهيار كارثي لا يمكن إيقافه. يتم سحب كل كتلة النجم إلى نقطة ذات كثافة لانهائية، مما يؤدي إلى تكوين حفرة عميقة في نسيج الزمكان. من هذه الحفرة، لا يمكن حتى للضوء أن يهرب. يُعرف الحد الفاصل لهذه المنطقة المظلمة بأفق الحدث، ويمكن أن يكون حجمه كبيرًا جدًا: فإذا انهارت الشمس لتصبح ثقبًا أسود، فسيكون أفق الحدث بحجم مدينة صغيرة.
نحن نعرف الكثير عن الثقوب السوداء؛ بل إننا التقطنا مؤخرًا صورًا للسطح الخارجي لأحدها، مما أكد شكل الحدود التي تتشكل بفعل فراغ الزمكان، كما تنبأت به النسبية العامة. ولكن إذا تمكنا من النظر إلى ما وراء أفق الحدث، فأعتقد أننا سنجد أن النسبية العامة تنهار هناك، وتبدأ فيزياء الكم بالسيطرة. ذلك لأن المبادئ الأساسية الأكثر تقديرًا في الفيزياء لا تتوافق مع الحفرة العميقة التي تتنبأ بها نظرية أينشتاين.
مفارقات الثقوب السوداء
بدأت سلسلة التفكير حول هذه المسألة في عام 1973، عندما طرح جاكوب بيكنشتاين، من جامعة برينستون، سؤالًا: ماذا سيحدث إذا ألقينا صندوقًا من الغاز في ثقب أسود؟ يحتوي الغاز على إنتروبيا، وهي مقياس للفوضى الناتجة عن التوزيع العشوائي لذراته. لذا، عندما يختفي الصندوق داخل مركز الثقب الأسود ذي الكثافة اللانهائية، بدا أن هذه الإنتروبيا تضيع. ولكن القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو أحد المبادئ الأساسية في الفيزياء، ينص على أن الإنتروبيا لا يمكن أن تختفي بهذه الطريقة.
اقترح بيكنشتاين أن فقدان الإنتروبيا في صندوق الغاز يُعوض بزيادة الإنتروبيا الكلية للثقب الأسود. فعندما يبتلع الثقب الأسود الصندوق، يتمدد أفق الحدث ليشغل مساحة أكبر، ورأى أن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب مع هذه المساحة. ولكن مفهوم الإنتروبيا في الثقوب السوداء أثار العديد من التساؤلات المحيرة. أولًا، في النسبية العامة، يُعتبر الثقب الأسود فراغًا خاليًا، فكيف يمكن أن يحتوي على فوضى؟ ثانيًا، كانت قيمة هذه الإنتروبيا كبيرة بشكل غير متوقع. ثالثًا، إذا كان للثقب الأسود إنتروبيا، فهذا يعني أنه، مثل قطعة من الفحم الساخن، يجب أن يكون له درجة حرارة ويشع جسيمات. ومع ذلك، وفقًا للنسبية العامة، لا يمكن لأي شيء الهروب من الثقب الأسود.
كان ستيفن هوكينغ من بين الفيزيائيين الذين سعوا لفهم هذه التناقضات. ففي عام 1974، توصل إلى اكتشاف مذهل: عند أخذ تأثيرات نظرية الكم في الاعتبار، نجد أن الثقوب السوداء تشع فعلًا. اكتشف هوكينغ أن أزواجًا من الجسيمات الافتراضية تظهر باستمرار حول أفق الحدث للثقب الأسود. يؤدي تمدد الزمكان هناك، كما تصفه النسبية العامة، إلى تحويل هذه الجسيمات إلى جسيمات حقيقية. يسقط أحدها في الثقب الأسود، بينما يهرب الآخر فيما يُعرف بإشعاع هوكينغ.
لكن سرعان ما ظهرت مشكلة في اكتشاف هوكينغ. ففي العام التالي، وجد أن هناك تناقضًا في عملية الإشعاع هذه. لنفترض أن لدينا ثقبين أسودين لهما نفس الكتلة، لكنهما تشكلا من نجوم مكونة من أنواع مختلفة من الذرات. سيكون شكل الزمكان حول أفق الحدث هو نفسه في كلا الحالتين، وبالتالي فإن الإشعاع المنبعث من الفراغ سيكون هو نفسه أيضًا. وبما أننا لا نستطيع استخدام هذا الإشعاع لتمييز النجوم الأصلية، فهذا يعني أن المعلومات قد فُقدت في الثقوب السوداء، وهو أمر يتعارض مع مبدأ أساسي في الفيزياء ينص على أن المعلومات لا يمكن تدميرها.
منذ ذلك الحين، حاول المنظِّرون، بمن فيهم أنا، إيجاد طريقة لخروج المعلومات من الثقوب السوداء. كانت هناك العديد من الحلول المقترحة في السنوات الأخيرة، لكنني أعتقد أن نظرية الأوتار تقدم أفضل تفسير ممكن. فهي لا تحل فقط ما يُعرف بمفارقة معلومات الثقب الأسود، بل إن التأمل فيها بعمق قادني إلى أفكار مثيرة للغاية.
تقترح نظرية الأوتار أن الجسيمات الأولية ليست مجرد نقاط بلا أبعاد، بل هي كائنات ممتدة على شكل أوتار أحادية البعد (إضافة إلى "أغشية" بأبعاد مختلفة تُعرف بالبرانات). وتهدف هذه النظرية إلى توحيد ميكانيكا الكم مع الجاذبية ضمن إطار واحد يُعرف بجاذبية الكم.
في منتصف التسعينيات، أظهر علماء نظرية الأوتار أن نموذجًا مبسطًا للثقوب السوداء المكونة من أوتار وبرانات يمكن أن يكون له الإنتروبيا التي توقعها بيكنشتاين. وبعد ذلك بوقت قصير، قمتُ، بالتعاون مع سميت داس من معهد تاتا للبحوث الأساسية في الهند، باستخدام نهج مماثل لحساب معدل الإشعاع لهذه الثقوب السوداء، ووجدنا أنه يتطابق مع ما تنبأ به هوكينغ. كل هذا يشير إلى أننا كنا نسير في الاتجاه الصحيح لحل مفارقة المعلومات.
لكننا ما زلنا لا نعرف الشكل الدقيق للثقوب السوداء المكونة من الأوتار، أو كيف تخزن إنتروبياها بالضبط. بحلول ذلك الوقت، كنت قد قضيت ما يقرب من عقد من الزمن في محاولة لحل هذه المشكلة، لكنني كنت أواجه العقبة نفسها في كل مرة. كان الافتراض السائد أن تأثيرات الأوتار تظهر فقط عند مقياس بلانك (1.6 × 10⁻³³ سنتيمترًا)، حيث تصبح كل من نظرية الكم والجاذبية ضرورية. ولكن كيف يمكن للأوتار أن تصف ثقبًا أسودًا عملاقًا؟
في ليلة 29 مايو 1997، كنت في المستشفى أراقب طفلتي حديثة الولادة. ولتمضية الوقت، حاولت حساب ما سيحدث إذا اجتمعت أعداد هائلة من الأوتار والبرانات لتشكيل ثقب أسود. وكانت النتيجة صادمة: فقد كان حجم الثقب الأسود يتضخم بشكل هائل بسبب العدد الكبير من الأوتار والبرانات.
أظهرت حساباتي أن الثقوب السوداء المصنوعة من الأوتار القابلة للتمدد تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن تلك المصنوعة من الجسيمات. فعند ضغط الأوتار، فإنها لا تتكثف إلى نقطة مفردة محاطة بأفق الحدث، كما تخبرنا النسبية العامة، بل تتمدد بدلاً من ذلك إلى كتل متشابكة تُعرف باسم "كرات الفوضى" (Fuzzballs)، والتي تمتد حتى تصل إلى أفق الحدث للثقب الأسود.
في وقت لاحق، عملتُ مع زميلي أوليغ لونين، الذي كان حينها في جامعة ولاية أوهايو، على حساب الأشكال الفعلية لأبسط الثقوب السوداء بناءً على هذه الأفكار. وقد تم توسيع هذا العمل لاحقًا ليشمل جميع أنواع الثقوب السوداء من قبل يوسف بينا في جامعة باريس ساكلاي بفرنسا، ونيك وارنر في جامعة جنوب كاليفورنيا، وغيرهم.
كل واحد من هذه الثقوب السوداء المبنية من الأوتار يمكن ترتيبه في العديد من الأشكال المختلفة لـ"كرات الفوضى"، تمامًا كما يمكن ترتيب جزيئات الغاز داخل صندوق بعدد لا يحصى من الطرق المختلفة. وهذا يعني أن كل ثقب أسود له بنية داخلية معقدة تخزن المعلومات، مما يوفر طريقة لحل مفارقة معلومات الثقب الأسود التي أثارت جدلًا لعقود.
يبدو أن هذا يجيب على اللغز المتعلق بمكان تخزين إنتروبيا الثقب الأسود: فهي تكمن داخل الأشكال العديدة لكرات الفوضى التي تشكل كل ثقب أسود. والأهم من ذلك، أن كرات الفوضى حلت مفارقة المعلومات من خلال السماح للمعلومات بالتسرب خارجًا. في مفارقة هوكينغ، ينبعث إشعاع عشوائي من الفراغ، ولكن في نموذج كرات الفوضى، يصدر الإشعاع من السطح المكون من الأوتار. وهذا يسمح بترميز المعلومات داخل الإشعاع بحيث لا يتم تدميرها.
لكن لا تزال هناك مسألة حرجة غير محلولة: كيف يتحول نجم منهار إلى كرة فوضى؟ وفقًا للنسبية العامة، التي اجتازت كل اختبار خضعت له حتى الآن، يجب أن يترك النجم المنهار فراغًا على شكل حفرة عميقة، وليس كرة فوضى. إذًا، ما الذي يؤدي إلى فشل نظرية أينشتاين، مما يفسح المجال لنظرية الجاذبية الكمومية؟
اقترح بيكنشتاين أن فقدان الإنتروبيا في صندوق الغاز يُعوض بزيادة الإنتروبيا الكلية للثقب الأسود. فعندما يبتلع الثقب الأسود الصندوق، يتمدد أفق الحدث ليشغل مساحة أكبر، ورأى أن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب مع هذه المساحة. ولكن مفهوم الإنتروبيا في الثقوب السوداء أثار العديد من التساؤلات المحيرة. أولًا، في النسبية العامة، يُعتبر الثقب الأسود فراغًا خاليًا، فكيف يمكن أن يحتوي على فوضى؟ ثانيًا، كانت قيمة هذه الإنتروبيا كبيرة بشكل غير متوقع. ثالثًا، إذا كان للثقب الأسود إنتروبيا، فهذا يعني أنه، مثل قطعة من الفحم الساخن، يجب أن يكون له درجة حرارة ويشع جسيمات. ومع ذلك، وفقًا للنسبية العامة، لا يمكن لأي شيء الهروب من الثقب الأسود.
كان ستيفن هوكينغ من بين الفيزيائيين الذين سعوا لفهم هذه التناقضات. ففي عام 1974، توصل إلى اكتشاف مذهل: عند أخذ تأثيرات نظرية الكم في الاعتبار، نجد أن الثقوب السوداء تشع فعلًا. اكتشف هوكينغ أن أزواجًا من الجسيمات الافتراضية تظهر باستمرار حول أفق الحدث للثقب الأسود. يؤدي تمدد الزمكان هناك، كما تصفه النسبية العامة، إلى تحويل هذه الجسيمات إلى جسيمات حقيقية. يسقط أحدها في الثقب الأسود، بينما يهرب الآخر فيما يُعرف بإشعاع هوكينغ.
لكن سرعان ما ظهرت مشكلة في اكتشاف هوكينغ. ففي العام التالي، وجد أن هناك تناقضًا في عملية الإشعاع هذه. لنفترض أن لدينا ثقبين أسودين لهما نفس الكتلة، لكنهما تشكلا من نجوم مكونة من أنواع مختلفة من الذرات. سيكون شكل الزمكان حول أفق الحدث هو نفسه في كلا الحالتين، وبالتالي فإن الإشعاع المنبعث من الفراغ سيكون هو نفسه أيضًا. وبما أننا لا نستطيع استخدام هذا الإشعاع لتمييز النجوم الأصلية، فهذا يعني أن المعلومات قد فُقدت في الثقوب السوداء، وهو أمر يتعارض مع مبدأ أساسي في الفيزياء ينص على أن المعلومات لا يمكن تدميرها.
منذ ذلك الحين، حاول المنظِّرون، بمن فيهم أنا، إيجاد طريقة لخروج المعلومات من الثقوب السوداء. كانت هناك العديد من الحلول المقترحة في السنوات الأخيرة، لكنني أعتقد أن نظرية الأوتار تقدم أفضل تفسير ممكن. فهي لا تحل فقط ما يُعرف بمفارقة معلومات الثقب الأسود، بل إن التأمل فيها بعمق قادني إلى أفكار مثيرة للغاية.
تقترح نظرية الأوتار أن الجسيمات الأولية ليست مجرد نقاط بلا أبعاد، بل هي كائنات ممتدة على شكل أوتار أحادية البعد (إضافة إلى "أغشية" بأبعاد مختلفة تُعرف بالبرانات). وتهدف هذه النظرية إلى توحيد ميكانيكا الكم مع الجاذبية ضمن إطار واحد يُعرف بجاذبية الكم.
في منتصف التسعينيات، أظهر علماء نظرية الأوتار أن نموذجًا مبسطًا للثقوب السوداء المكونة من أوتار وبرانات يمكن أن يكون له الإنتروبيا التي توقعها بيكنشتاين. وبعد ذلك بوقت قصير، قمتُ، بالتعاون مع سميت داس من معهد تاتا للبحوث الأساسية في الهند، باستخدام نهج مماثل لحساب معدل الإشعاع لهذه الثقوب السوداء، ووجدنا أنه يتطابق مع ما تنبأ به هوكينغ. كل هذا يشير إلى أننا كنا نسير في الاتجاه الصحيح لحل مفارقة المعلومات.
لكننا ما زلنا لا نعرف الشكل الدقيق للثقوب السوداء المكونة من الأوتار، أو كيف تخزن إنتروبياها بالضبط. بحلول ذلك الوقت، كنت قد قضيت ما يقرب من عقد من الزمن في محاولة لحل هذه المشكلة، لكنني كنت أواجه العقبة نفسها في كل مرة. كان الافتراض السائد أن تأثيرات الأوتار تظهر فقط عند مقياس بلانك (1.6 × 10⁻³³ سنتيمترًا)، حيث تصبح كل من نظرية الكم والجاذبية ضرورية. ولكن كيف يمكن للأوتار أن تصف ثقبًا أسودًا عملاقًا؟
في ليلة 29 مايو 1997، كنت في المستشفى أراقب طفلتي حديثة الولادة. ولتمضية الوقت، حاولت حساب ما سيحدث إذا اجتمعت أعداد هائلة من الأوتار والبرانات لتشكيل ثقب أسود. وكانت النتيجة صادمة: فقد كان حجم الثقب الأسود يتضخم بشكل هائل بسبب العدد الكبير من الأوتار والبرانات.
أظهرت حساباتي أن الثقوب السوداء المصنوعة من الأوتار القابلة للتمدد تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن تلك المصنوعة من الجسيمات. فعند ضغط الأوتار، فإنها لا تتكثف إلى نقطة مفردة محاطة بأفق الحدث، كما تخبرنا النسبية العامة، بل تتمدد بدلاً من ذلك إلى كتل متشابكة تُعرف باسم "كرات الفوضى" (Fuzzballs)، والتي تمتد حتى تصل إلى أفق الحدث للثقب الأسود.
في وقت لاحق، عملتُ مع زميلي أوليغ لونين، الذي كان حينها في جامعة ولاية أوهايو، على حساب الأشكال الفعلية لأبسط الثقوب السوداء بناءً على هذه الأفكار. وقد تم توسيع هذا العمل لاحقًا ليشمل جميع أنواع الثقوب السوداء من قبل يوسف بينا في جامعة باريس ساكلاي بفرنسا، ونيك وارنر في جامعة جنوب كاليفورنيا، وغيرهم.
كل واحد من هذه الثقوب السوداء المبنية من الأوتار يمكن ترتيبه في العديد من الأشكال المختلفة لـ"كرات الفوضى"، تمامًا كما يمكن ترتيب جزيئات الغاز داخل صندوق بعدد لا يحصى من الطرق المختلفة. وهذا يعني أن كل ثقب أسود له بنية داخلية معقدة تخزن المعلومات، مما يوفر طريقة لحل مفارقة معلومات الثقب الأسود التي أثارت جدلًا لعقود.
يبدو أن هذا يجيب على اللغز المتعلق بمكان تخزين إنتروبيا الثقب الأسود: فهي تكمن داخل الأشكال العديدة لكرات الفوضى التي تشكل كل ثقب أسود. والأهم من ذلك، أن كرات الفوضى حلت مفارقة المعلومات من خلال السماح للمعلومات بالتسرب خارجًا. في مفارقة هوكينغ، ينبعث إشعاع عشوائي من الفراغ، ولكن في نموذج كرات الفوضى، يصدر الإشعاع من السطح المكون من الأوتار. وهذا يسمح بترميز المعلومات داخل الإشعاع بحيث لا يتم تدميرها.
لكن لا تزال هناك مسألة حرجة غير محلولة: كيف يتحول نجم منهار إلى كرة فوضى؟ وفقًا للنسبية العامة، التي اجتازت كل اختبار خضعت له حتى الآن، يجب أن يترك النجم المنهار فراغًا على شكل حفرة عميقة، وليس كرة فوضى. إذًا، ما الذي يؤدي إلى فشل نظرية أينشتاين، مما يفسح المجال لنظرية الجاذبية الكمومية؟
الطريقة التي تفشل بها النسبية العامة
الإجابة، القادمة من نظرية الأوتار، تكشف عن بنية خفية داخل الفراغ تغير فهمنا للزمكان بطريقة جوهرية. قد يبدو ما يلي وكأنه مجرد قصة تبريرية، لكن الرياضيات والفيزياء التي تدعم هذه الفكرة ليست من نسج الخيال. لقد تم فحصها بدقة وهي ممكنة نظريًا.
لفهم كيفية عمل ذلك، نحتاج إلى إلقاء نظرة أقرب على الجسيمات الافتراضية. يُقال غالبًا إن هذه النظائر العابرة للجسيمات الحقيقية تظهر وتختفي باستمرار، وقد استخدمت هذا التعبير بنفسي لتسهيل الشرح. لكن في الحقيقة، ليس هذا هو أفضل تصور لها. تصور فيزياء الكم جميع المادة والطاقة على أنها مجرد اضطرابات في الحقول الكمومية التي تشكل أساس الواقع بأكمله. من الأفضل اعتبار الجسيمات الافتراضية مجرد اضطرابات صغيرة جدًا في هذه الحقول. وكما هو الحال مع الجسيمات الحقيقية، يمكن لهذه الجسيمات الافتراضية أن تكون مترابطة مع بعضها البعض. على سبيل المثال، يجذب الإلكترون ونظيره المضاد، البوزيترون، بعضهما البعض، ويدوران حول بعضهما البعض في "حالة مقيدة". وبالمثل، تميل الإلكترونات الافتراضية إلى الظهور بالقرب من البوزيترونات الافتراضية، مترابطة من خلال ظاهرة غريبة تُعرف بالتشابك الكمومي.
بهذه الطريقة، تترك الحالات المقيدة للجسيمات الحقيقية بصمة في بنية الزمكان: شبكة معقدة من الارتباطات الافتراضية. معظم هذه الارتباطات تعمل على نطاق صغير جدًا بحيث لا يكون لها أي تأثير ملحوظ على الثقوب السوداء. لكن هل يمكن أن تكون هناك حالات مقيدة أخرى، ذات نسخ افتراضية، تؤثر على الثقوب السوداء وربما على الكون بأسره؟
لفهم كيفية عمل ذلك، نحتاج إلى إلقاء نظرة أقرب على الجسيمات الافتراضية. يُقال غالبًا إن هذه النظائر العابرة للجسيمات الحقيقية تظهر وتختفي باستمرار، وقد استخدمت هذا التعبير بنفسي لتسهيل الشرح. لكن في الحقيقة، ليس هذا هو أفضل تصور لها. تصور فيزياء الكم جميع المادة والطاقة على أنها مجرد اضطرابات في الحقول الكمومية التي تشكل أساس الواقع بأكمله. من الأفضل اعتبار الجسيمات الافتراضية مجرد اضطرابات صغيرة جدًا في هذه الحقول. وكما هو الحال مع الجسيمات الحقيقية، يمكن لهذه الجسيمات الافتراضية أن تكون مترابطة مع بعضها البعض. على سبيل المثال، يجذب الإلكترون ونظيره المضاد، البوزيترون، بعضهما البعض، ويدوران حول بعضهما البعض في "حالة مقيدة". وبالمثل، تميل الإلكترونات الافتراضية إلى الظهور بالقرب من البوزيترونات الافتراضية، مترابطة من خلال ظاهرة غريبة تُعرف بالتشابك الكمومي.
بهذه الطريقة، تترك الحالات المقيدة للجسيمات الحقيقية بصمة في بنية الزمكان: شبكة معقدة من الارتباطات الافتراضية. معظم هذه الارتباطات تعمل على نطاق صغير جدًا بحيث لا يكون لها أي تأثير ملحوظ على الثقوب السوداء. لكن هل يمكن أن تكون هناك حالات مقيدة أخرى، ذات نسخ افتراضية، تؤثر على الثقوب السوداء وربما على الكون بأسره؟
أعتقد ذلك. كما رأينا سابقًا، هناك أسباب قوية للاعتقاد بأن الثقوب السوداء هي كرات فوضى مكونة من أوتار. والأوتار تشبه الجسيمات الأولية، مما يعني أن هناك أيضًا نسخًا افتراضية من هذه الحزم الخيطية تُعرف باسم كرات الفوضى الافتراضية – والتي يمكننا تسميتها الثقوب السوداء الافتراضية. وبقدر ما نعلم، يمكن أن توجد الثقوب السوداء بأي حجم، من الصفر إلى اللانهاية. لذا، هناك أيضًا ثقوب سوداء افتراضية بجميع الأحجام الممكنة. علاوة على ذلك، فإن عددها هائل بسبب الإنتروبيا الكبيرة التي وصفها بيكنشتاين. وهكذا، بنفس الطريقة التي تترك بها الجسيمات الافتراضية بصمة شبكية دقيقة من الارتباطات عبر الفراغ على مسافات قصيرة جدًا، تفعل كرات الفوضى الافتراضية الشيء نفسه، ولكن عبر جميع المسافات الممكنة، مهما كانت كبيرة.
قد تكون هذه الارتباطات دقيقة، لكنها تحمل آثارًا ضخمة. لرؤيتها، دعونا نطبق هذه الأفكار الآن على السؤال الذي طرحته سابقًا: كيف يتشكل الثقب الأسود بالضبط من نجم منهار؟
حسنًا، خلال هذه العملية، يتمدد الزمكان. وهذا يعني أن الارتباطات التي تنشئها كرات الفوضى الافتراضية عبر الكون يجب أن تعدل قوة تشابكها لتعكس الانفصال الجديد بينها. يتطلب هذا التعديل تبادل إشارات فيزيائية عبر منطقة الثقب الأسود. لكن في المنطقة الناتجة عن انهيار نجم، حيث يتمدد الزمكان بشكل جذري، لا يمكن للإشارات أن تتصل ببعضها البعض دون السفر أسرع من سرعة الضوء، وهو أمر محظور بموجب النسبية العامة. ونتيجة لذلك، لا تستطيع التقلبات الكمومية في المنطقة ذات الشكل الحفري تطوير الارتباطات اللازمة لتكوين فراغ مستقر منخفض الطاقة. وبدلاً من ذلك، تقوم هذه التقلبات بربط الزمكان في عقد حتى يتحطم. والنتيجة ليست فراغًا ممدودًا، بل فوضى خيطية مكونة من كرات الفوضى.
بعبارة أخرى، تفشل النسبية العامة عندما يتمدد الزمكان بسرعة كبيرة جدًا. يشير نفس المنطق إلى أن نظرية أينشتاين يجب أن تفشل أيضًا عبر أوسع نطاقات الكون المتوسع – وهو ما يشبه انهيار نجم ولكن بشكل معكوس. يستغرق تبادل الإشارات بين نقطتين في الفراغ تفصل بينهما مليارات السنين الضوئية وقتًا طويلًا جدًا. لذا، مرة أخرى، لا تستطيع كرات الفوضى الافتراضية ترك بصمتها في الزمكان بالارتباطات الصحيحة عبر هذه المسافات. وهذا يعني أن الكون ليس فراغًا مثاليًا عند هذه المقاييس، ولكنه يحمل طاقة كمومية إضافية. عندما أجريت الحسابات في ورقة بحثية نُشرت في ديسمبر، وجدت أن المقاييس ذات الصلة هي بالضبط تلك التي نلاحظ عندها تأثيرات الطاقة المظلمة.
قد تكون هذه الارتباطات دقيقة، لكنها تحمل آثارًا ضخمة. لرؤيتها، دعونا نطبق هذه الأفكار الآن على السؤال الذي طرحته سابقًا: كيف يتشكل الثقب الأسود بالضبط من نجم منهار؟
حسنًا، خلال هذه العملية، يتمدد الزمكان. وهذا يعني أن الارتباطات التي تنشئها كرات الفوضى الافتراضية عبر الكون يجب أن تعدل قوة تشابكها لتعكس الانفصال الجديد بينها. يتطلب هذا التعديل تبادل إشارات فيزيائية عبر منطقة الثقب الأسود. لكن في المنطقة الناتجة عن انهيار نجم، حيث يتمدد الزمكان بشكل جذري، لا يمكن للإشارات أن تتصل ببعضها البعض دون السفر أسرع من سرعة الضوء، وهو أمر محظور بموجب النسبية العامة. ونتيجة لذلك، لا تستطيع التقلبات الكمومية في المنطقة ذات الشكل الحفري تطوير الارتباطات اللازمة لتكوين فراغ مستقر منخفض الطاقة. وبدلاً من ذلك، تقوم هذه التقلبات بربط الزمكان في عقد حتى يتحطم. والنتيجة ليست فراغًا ممدودًا، بل فوضى خيطية مكونة من كرات الفوضى.
بعبارة أخرى، تفشل النسبية العامة عندما يتمدد الزمكان بسرعة كبيرة جدًا. يشير نفس المنطق إلى أن نظرية أينشتاين يجب أن تفشل أيضًا عبر أوسع نطاقات الكون المتوسع – وهو ما يشبه انهيار نجم ولكن بشكل معكوس. يستغرق تبادل الإشارات بين نقطتين في الفراغ تفصل بينهما مليارات السنين الضوئية وقتًا طويلًا جدًا. لذا، مرة أخرى، لا تستطيع كرات الفوضى الافتراضية ترك بصمتها في الزمكان بالارتباطات الصحيحة عبر هذه المسافات. وهذا يعني أن الكون ليس فراغًا مثاليًا عند هذه المقاييس، ولكنه يحمل طاقة كمومية إضافية. عندما أجريت الحسابات في ورقة بحثية نُشرت في ديسمبر، وجدت أن المقاييس ذات الصلة هي بالضبط تلك التي نلاحظ عندها تأثيرات الطاقة المظلمة.
أصل الطاقة المظلمة
اقترح علماء الفلك لأول مرة مفهوم الطاقة المظلمة في أواخر التسعينيات عندما اكتشفوا أن النجوم المتفجرة البعيدة، التي تُعرف بالمستعرات العظمى، كانت أضعف مما كان متوقعًا. استنتجوا أن هذه المستعرات العظمى يجب أن تكون أبعد بكثير عما كنا نظن، لأن المسافة بينها وبيننا تتزايد بسبب تمدد الفضاء بينهما. بعبارة أخرى، هناك قوة غامضة تدفع الكون إلى التوسع بسرعة متزايدة في أطرافه البعيدة. ولتفسير ذلك، أدخل علماء الكونيات الطاقة المظلمة في معادلات النسبية العامة، ولكن دون معرفة واضحة لمصدرها. ولكن الآن يبدو أن الطاقة الكمومية الإضافية الناتجة عن كرات الفوضى الافتراضية قد تكون هي المحرك لهذا التوسع.
تدعم الملاحظات الحديثة هذه الفكرة بشكل أكبر. يُعرف التوتر الهائل بمصطلح "توتر هابل"، وهو التناقض بين السرعة التي يبدو أن الكون يتمدد بها والسرعة التي نتوقع أن يتمدد بها بناءً على أفضل نماذجنا الكونية. يمكن حل هذا التناقض من خلال افتراض انفجار مفاجئ وحاد من الطاقة المظلمة الإضافية – والتي يُطلق عليها "الطاقة المظلمة المبكرة" – قبل مليارات السنين عندما تحول الكون من كونه مهيمنًا بالإشعاع إلى مهيمن بالغبار. توفر كرات الفوضى الافتراضية تفسيرًا طبيعيًا لهذه الطاقة المظلمة المبكرة: تخبرنا معادلات تطور الكون أن الكون المغبر يتمدد أسرع من الكون المشع، وكلما تمدد الكون بسرعة أكبر، أصبح من الصعب تكوين ارتباطات بين كرات الفوضى الافتراضية. ومرة أخرى، يؤدي هذا إلى دفعة إضافية من الطاقة الكمومية، وهذه المرة عند الانتقال من الإشعاع إلى الغبار، وهو ما يتوافق تمامًا مع الحجم المطلوب لحل مشكلة توتر هابل.
بدأت التلسكوبات، مثل أداة الطيف للطاقة المظلمة (Dark Energy Spectroscopic Instrument)، في قياس الطاقة المظلمة بدقة ورصد كيفية تغيرها عبر تاريخ الكون. أملي هو أنه قريبًا قد نتمكن من مطابقة هذه الملاحظات الدقيقة مع سلوك الطاقة المظلمة الذي ينبثق من البنية الخفية للزمكان.
المقال الأصلي : NewScientist
تدعم الملاحظات الحديثة هذه الفكرة بشكل أكبر. يُعرف التوتر الهائل بمصطلح "توتر هابل"، وهو التناقض بين السرعة التي يبدو أن الكون يتمدد بها والسرعة التي نتوقع أن يتمدد بها بناءً على أفضل نماذجنا الكونية. يمكن حل هذا التناقض من خلال افتراض انفجار مفاجئ وحاد من الطاقة المظلمة الإضافية – والتي يُطلق عليها "الطاقة المظلمة المبكرة" – قبل مليارات السنين عندما تحول الكون من كونه مهيمنًا بالإشعاع إلى مهيمن بالغبار. توفر كرات الفوضى الافتراضية تفسيرًا طبيعيًا لهذه الطاقة المظلمة المبكرة: تخبرنا معادلات تطور الكون أن الكون المغبر يتمدد أسرع من الكون المشع، وكلما تمدد الكون بسرعة أكبر، أصبح من الصعب تكوين ارتباطات بين كرات الفوضى الافتراضية. ومرة أخرى، يؤدي هذا إلى دفعة إضافية من الطاقة الكمومية، وهذه المرة عند الانتقال من الإشعاع إلى الغبار، وهو ما يتوافق تمامًا مع الحجم المطلوب لحل مشكلة توتر هابل.
بدأت التلسكوبات، مثل أداة الطيف للطاقة المظلمة (Dark Energy Spectroscopic Instrument)، في قياس الطاقة المظلمة بدقة ورصد كيفية تغيرها عبر تاريخ الكون. أملي هو أنه قريبًا قد نتمكن من مطابقة هذه الملاحظات الدقيقة مع سلوك الطاقة المظلمة الذي ينبثق من البنية الخفية للزمكان.
المقال الأصلي : NewScientist