يشرح أفشالوم إليتزور لماذا لا يمثل الثقب الأسود مجرد جسم كوني متطرف، بل هو أيضاً تلميح عميق إلى فيزياء جديدة من شأنها أن توحد النسبية ونظرية الكم والديناميكا الحرارية.
أ. ما هو الثقب الأسود، ولماذا يُعدّ مصدرًا ناجحًا للصداع؟
ما هو الثقب الأسود؟ لا أعرف حقاً. لم أرَ واحداً عن قرب، وهذا أمر جيد. لكن من الواضح منذ البداية أنه أحد أكثر المفاهيم إثارةً للقلق وإثراءً في الفيزياء الحديثة.
تبدأ المشكلة فورًا. فإذا لم تكن هناك ثقوب سوداء، توجد حالات تفشل فيها النسبية العامة، لأن معادلاتها تتطلب في الواقع وجود مثل هذه الأجسام. أما إذا وُجدت ثقوب سوداء، فيظهر خلل آخر: فعند محاولة وصف ما يحدث داخلها، تقود المعادلات إلى نقطة تفرد، أي إلى نقطة تنهار عندها الأوصاف الفيزيائية إلى ما لا نهاية. يتقلص الفضاء، ويتشوه الزمن، وتفقد الفيزياء المألوفة سلطتها.
ومن هنا تأتي النتيجة المثيرة للاهتمام حقاً: الثقب الأسود ليس مجرد جرم سماوي غريب آخر، بل هو دليل على أن نظرية النسبية، مهما بدت مثيرة للإعجاب، ليست الكلمة الأخيرة. فهي بحد ذاتها تُبرز الحاجة إلى نظرية أعمق، والتي لا نمتلكها حتى الآن.
كيف تحدث هذه الظاهرة؟ ببساطة: عندما تُضغط كتلة هائلة في حجم صغير جدًا، تصبح الجاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. يُطلق على الحد الذي لا عودة بعده اسم أفق الحدث. ما يقع وراءه يختفي عن الأنظار، لذا يبدو الجسم بأكمله أسود اللون.
بما أن انحناء الضوء في مجال الجاذبية يُعدّ من أهمّ تنبؤات النسبية العامة، فإنّ الثقب الأسود يُمثّل الحالة الأكثر تطرفًا لهذه الفكرة. فهو ليس "قوة" بالمعنى النيوتني البسيط، بل هو انحناء في الزمكان شديد لدرجة أن جميع المسارات الممكنة تؤدي إلى الداخل. وفي المركز، على الأقل وفقًا للوصف الكلاسيكي، تقع تلك النقطة المتفردة حيث تتوقف الفيزياء المألوفة عن التعبير بلغة منطقية.
هنا ظهر كارل شوارتزشيلد لأول مرة، وهو فيزيائي لامع، أثناء خدمته في الحرب العالمية الأولى، وضع أول حل لمعادلات أينشتاين للكتلة الكروية. ومن هذا الحل، انبثق نصف قطر حرج: إذا ضُغطت كتلة معينة إلى نصف قطر صغير بما يكفي، فإنها ستتحول إلى ثقب أسود. بالنسبة للشمس، يبلغ هذا النصف حوالي ثلاثة كيلومترات فقط. أما بالنسبة للأرض، فهو أقل من سنتيمتر واحد. قد يبدو هذا غريباً، لكن توجد أماكن في الكون يحدث فيها هذا الانضغاط بالفعل.
لم يكن آينشتاين نفسه متحمساً لهذا الاحتمال. ومثل كثيرين غيره، وجد صعوبة في استيعاب وجود مثل هذه الأجسام المتطرفة. ولكن مع تطور الحسابات، وخاصة في أعمال تشاندراسيكار وأوبنهايمر وغيرهما، اتضح أن الانهيار الجذبي لم يكن مجرد نزوة رياضية، بل نتيجة محتملة، وأحياناً حتمية، لتطور النجوم الضخمة والبيئات شديدة الكثافة، كما هو الحال في مراكز المجرات.
ب. لماذا تُحب الفيزياء الحواف؟
الفيزياء النظرية أشبه برياضة بالغة الخطورة، فهي تخوض في أقصى الظروف لفهم ما هو عادي.
هذا ما فعلته النسبية الخاصة عندما درست ما يحدث عند سرعات تقترب من سرعة الضوء. وهذا ما فعلته النسبية العامة عندما درست ما يحدث للكتل الهائلة. وهذا ما فعلته نظرية الكم عندما ذهبت إلى النقيض تمامًا ودرست أصغر كميات المادة والطاقة.
في جميع هذه الحالات، لا تُعدّ الحافة مسألة هامشية. بل على العكس، فهي تُعلّمنا ما يكمن حقًا وراء العالم المألوف. فالسيارة، وجدول الماء، وملعب التنس، والدائرة الكهربائية، والتفاعل الكيميائي، كلها تبدو "معقولة" فقط لأن التأثيرات النسبية والكمية فيها ضعيفة للغاية. لكن القوانين الأعمق هي تحديدًا تلك التي تتجلى عند الأطراف القصوى.
هنا تبدأ المعضلة الكبرى للفيزياء المعاصرة. فنظريتاها الأكثر عمقًا، النسبية والكم، كلتاهما ناجحتان للغاية في مجالها، لكنهما لا تندرجان ضمن إطار واحد. ثمة توتر جوهري بينهما، وربما تناقضات ظاهرة. ومع ذلك، فكلتاهما صحيحة بشكل لافت.
وهنا يظهر الثقب الأسود تحديدًا عند نقطة التقاء الخطرة هذه. إنه جسم نسبي، لأن الجاذبية الهائلة هي جوهر المادة. ولكنه أيضًا جسم كمومي، لأنه على أعمق مستوى، لا يمكن تجاهل سلوك الحقول الكمومية. ويُضاف إلى ذلك عنصر ثالث، يُغفل عنه أحيانًا في النقاشات الكبرى حول "توحيد الفيزياء": الديناميكا الحرارية.
هنا يصبح الثقب الأسود أكثر إثارة للاهتمام. فإذا كان يقع عند تقاطع النسبية وميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية، فربما لم يعد يمثل حافة الفيزياء، بل مجرد لمحة عما يكمن في مركزها.
فنجان شاي سي. ويلر وتلميع بيكنشتاين
في هذه المرحلة، ظهر جون أرشيبالد ويلر، أحد أكثر علماء الفيزياء النظرية إنتاجاً في القرن العشرين. كان مولعاً بالتنقل بين علم الكونيات، وميكانيكا الكم، والنسبية، والديناميكا الحرارية، ومثل أي فيزيائي بارع حقاً، كان لديه حس مرهف تجاه المشكلات البسيطة ظاهرياً التي تخفي وراءها هاوية.
تقول القصة الشهيرة إن ويلر طرح ذات يوم على تلميذه جاكوب بيكنشتاين سؤالاً من النوع الذي كان يُفضّله. قال: "لنفترض أن لدينا ثقباً أسود صغيراً هنا في الغرفة، وألقيتُ فيه كوباً من الشاي الساخن. سيبرد الشاي، ما يعني أن طاقته قد تبددت بشكل أكبر، وبالتالي ستزداد إنتروبيا النظام. ولكن إذا ابتلع الثقب الأسود جميع المعلومات المتعلقة بالشاي ولن تعود، فكيف يُمكن أن يظل القانون الثاني للديناميكا الحرارية سارياً؟"
بدا السؤال وقحاً بعض الشيء. ففي النهاية، ينتمي مفهوم الإنتروبيا إلى الديناميكا الحرارية، بينما ينتمي مفهوم الثقب الأسود إلى النسبية العامة. ما علاقة هذا التداخل بين المجالين بالفيزياء الجادة؟
لكن بيكنشتاين أدرك أن هناك شيئًا عميقًا في هذا الأمر. يتسع أفق الحدث للثقب الأسود عند إضافة كتلة إليه. واقترح أن يُنظر إلى هذا الحجم، أو بالأحرى مساحة أفق الحدث، على أنه حجم يُقابل الإنتروبيا. أي: عندما تُلقي شيئًا ما في ثقب أسود، فإن الإنتروبيا لا تختفي؛ بل تجد تعبيرًا هندسيًا جديدًا في مساحة الأفق.
كانت هذه فكرة جريئة للغاية. فقد جادل بيكنشتاين أساسًا بأن للثقوب السوداء إنتروبيا، وربما درجة حرارة أيضًا. وقد أدى ذلك إلى إنشاء جسر مدهش بين قوانين الديناميكا الحرارية وقوانين النسبية العامة.
اعترض كثيرون. وبدا الأمر للكثيرين وكأنه خلط بين التصنيفات. لكن بيكنشتاين أثبت تباعًا أن خصائص الثقوب السوداء تشبه إلى حد كبير قوانين الديناميكا الحرارية. وكلما تعمق النقاش، ازداد صعوبة اعتبار هذا التشابه مجرد صدفة.
كان ستيفن هوكينغ أحد أبرز المعارضين. ليس بدافع الازدراء، بل لأن الادعاء كان جذرياً حقاً. ولكن هنا وقعت إحدى أجمل الحوادث في تاريخ العلم: هوكينغ، الذي أراد دحض الفكرة، عززها.
د. عندما لا يكون الفراغ فراغاً
لفهم كيف حدث هذا، عليك أن تذهب إلى المكان الذي تصبح فيه الفيزياء شبه سخيفة: الفراغ الكمي، أي "الفضاء الفارغ".
بلغة الحياة اليومية، الفراغ هو فراغ. لا توجد فيه مادة، ولا طاقة، ولا أي شيء. لكن نظرية الكم لا تسمح بهذه البساطة. فبحسب مبدأ عدم اليقين، حتى الحالة الأرضية لحقل فيزيائي ليست ساكنة تمامًا. تتذبذب الحقول، وتشهد تقلبات لحظية دقيقة لا تسمح لنا بوصف الفراغ بأنه "صفر مطلق" نقي وسلس.
من هذا الوصف انبثقت الصورة المألوفة، وإن كانت مبسطة إلى حد ما، لأزواج الجسيمات الافتراضية التي تظهر وتختفي لفترة وجيزة جدًا. عادةً، لا يترتب على ذلك أي أثر ملحوظ. لكن في جوار أفق حدث الثقب الأسود، يتغير الوضع. يفصل الأفق بين جزئي الصورة الكمومية: جزء من التأثير يُضخ إلى الداخل، وجزء آخر يمكن أن يظهر إلى الخارج كإشعاع فعلي.
هذا هو إشعاع هوكينغ. بعبارة أخرى، الثقب الأسود ليس أسوداً تماماً، بل يُصدر إشعاعاً حرارياً ضعيفاً جداً، وبالتالي يفقد طاقته وكتلته تدريجياً. وإذا انتظرنا وقتاً كافياً، فإنه سيتبخر تماماً.
هنا تلقت فكرة بيكنشتاين دفعة هائلة. فإذا كان للثقب الأسود درجة حرارة، فإنه يمتلك أيضاً إنتروبيا. وتلتقي اللغات الثلاث العظيمة للفيزياء - النسبية، وميكانيكا الكم، والديناميكا الحرارية - مرة أخرى في نفس المكان.
ومن هنا تبرز الأهمية الجوهرية للثقب الأسود. فهو ليس مجرد ظاهرة فلكية متطرفة، بل هو مختبر مفاهيمي تُختبر فيه جميع فروع الفيزياء إلى أقصى حدودها. وهو يُشير إلى أنه لن يكون هناك نظرية كاملة للطبيعة دون توحيد عميق لهذه المجالات الثلاثة.
في إحدى محاضراتي، وقف فيزيائي بلكنة روسية ثقيلة وأعلن بحزم أنه لا يقبل الاعتماد على القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وبعد سنوات، في محاضرة أخرى، وقف شخص مشابه له، واختار هو الآخر مهاجمة هذا القانون تحديدًا. لا أعتقد أن هناك مصلحة وطنية في هذا الأمر. ربما يكون هذا تقليدًا فكريًا معينًا، أو ربما تأثيرًا لبعض مدارس الفيزياء، التي تتعامل مع القانون الثاني كنتيجة إحصائية بحتة، لا كقانون أساسي حقيقي.
أتفهم مصدر الشك. ففي النهاية، الإنتروبيا كمية إحصائية، ويمكن للمرء دائمًا أن يتخيل كونًا آخر بظروف ابتدائية مختلفة. لكن في رأيي، كما رأى إدينغتون وآينشتاين وبيكنشتاين كلٌّ على طريقته، ثمة ما هو أعمق في القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ليس مجرد إحصاءات مفيدة، بل إشارة إلى ضغط الزمن نفسه.
أدرك بيكنشتاين هذا الأمر جيدًا. ففي رأيه، لن يكون هناك توحيد حقيقي بين النسبية وميكانيكا الكم دون دخول الديناميكا الحرارية من الباب الرئيسي. ولعل الثقب الأسود، بهندسته وإشعاعه وإنتروبياه، هو المكان الذي تهمس فيه هذه العوالم الثلاثة بالحقيقة نفسها لنا، لكننا ما زلنا نجهل كيفية استيعابها تمامًا.
تُضاف إلى هذه الصورة ظاهرة أونيرو، التي تُظهر أن مُراقب التسارع سيرى الفراغ ساخنًا. ومرة أخرى، نفس التلميح: الجاذبية والتسارع والكم والحرارة ليست عوالم منفصلة، بل هي جوانب مختلفة لنفس الواقع الفيزيائي الذي لم يُفكّ شفرته بالكامل بعد.
حتى الآن، وصفتُ بشكل أساسي أفكارًا مقبولة في الفيزياء الحديثة. وبالطبع، هناك أسئلة مفتوحة أخرى، بل وحتى جدل. لكن ما هو معروف حاليًا يكفي لفهم سبب استمرار الثقب الأسود في شغل بال أبرز العقول. ليس لأنه مظلم فحسب، بل لأنه يُلقي الضوء، ربما أكثر من أي جسم آخر في الطبيعة، على حدود الفيزياء الحالية والاتجاه الذي لا يزال يتعين عليها أن تتغير فيه.
نعم، لونه أسود. لكن الضوء ينبعث منه بالفعل.
إليكم روابط العروض التقديمية ذات الصلة:
النسبية: https://did.li/GITgT
الكم: https://did.li/XTlUY
الموقع الإلكتروني: أكاديمية أفشالوم إليتزور
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 3
ينطبق القانون الثاني أيضاً، في رأيي المتواضع، على الأنظمة البشرية. جاء ذلك في مقال نُشر في مجلة غاليليو عام ٢٠٠٣، بعد انهيار الكتلة الشرقية عندما تحدث فوكوياما عن نهاية التاريخ والسلام العالمي:
إذا كانت الأنظمة البشرية، كما يُزعم، تتصرف تقريبًا مثل الأنظمة الديناميكية الحرارية، ألا يستلزم ذلك وجود مبدأ مشابه لقانون الإنتروبيا في المجتمعات البشرية؟ إجابة مثيرة للقلق: احتمال يميل إلى الواحد كلما كبر النظام وازدادت عشوائيته، أو ببساطة: نعم. ومن هنا يبرز السؤال المصيري: هل تستطيع الأرض، وهي نظام نفسي ميكانيكي مغلق، أن تُقلل من إنتروبيتها النفسية الميكانيكية الكلية؟ إجابة محبطة: لا، من تلقاء نفسها. يستبعد "القانون الثاني للميكانيكا النفسية" إمكانية انخفاض الإنتروبيا في نظام نفسي ميكانيكي مغلق، ما لم ترتفع إنتروبيا نظام آخر.
يمكن القول إن السلام العالمي والأخوة أمران لا مفر منهما. إن أي ازدهار ووفرة في فئة ما سيأتيان دائمًا على حساب فئة أخرى. لن تأتي ساعة الدلو من تلقاء نفسها، ولن يفيدها أن يشرق القمر في البيت السابع وأن يقف المشتري والمريخ في صف واحد. فبدون مصدر خارجي للطاقة النفسية الميكانيكية، فإن أي نظام مغلق، سواء أكان دولة أو معتقدًا دينيًا أو طبقة اقتصادية، وخاضعًا لضغط نفسي ميكانيكي، محكوم عليه بالميل الدائم للتوسع كوسيلة لتقليل إنتروبيته المحلية - وذلك في غياب مساحة نفسية ميكانيكية حرة، وعلى حساب نظام نفسي ميكانيكي آخر.
إذن، بالنظر إلى الماضي، وبعد مرور 23 عامًا، وعندما ترى ما يحدث في العالم - ألم تزداد الإنتروبيا؟
الإجابة بسيطة للغاية، لكن فهمك غير منطقي لأننا نعيش في عالم ثلاثي الأبعاد، بينما الثقوب السوداء متعددة الأبعاد، أليس هذا محيراً؟!
ماذا يحدث عندما يقترب ثقبان أسودان أو أكثر من بعضهما أو يندمجان؟ وماذا يحدث إذا كان عددهما كبيرًا؟ هل يتشكل انهيار متسلسل ينتشر في أرجاء الكون؟ وهل يرتبط ذلك بالتفردات؟