الثقوب السوداء والثقوب الدودية وأسرار الزمكان الكمي

وقد يكون لهذا التكافؤ عواقب وخيمة. إنه يثير احتمال أن الزمكان نفسه ربما يكون قد نشأ من تشابك المكونات المجهرية الأكثر أهمية للكون. كما أنه يثير احتمال أن تكون الأشياء المتشابكة - على الرغم من اعتبارها منذ فترة طويلة أشياء ليس لها أي اتصال مادي بينها - قد تكون في الواقع متصلة بطرق أقل خيالًا بكثير مما كنا نعتقد.

علاوة على ذلك، فإن العلاقة بين التشابك والثقوب الدودية قد تساعد في تطوير نظرية موحدة لميكانيكا الكم والزمكان - وهي النظرية التي يطلق عليها الفيزيائيون الجاذبية الكمومية - حيث تستمد فيزياء الكون العياني من القوانين التي تحكم التفاعلات السائدة في العالمين الذري ودون الذري. نحن بحاجة إلى مثل هذه النظرية حتى نتمكن من فهم الانفجار الكبير وما يحدث داخل الثقوب السوداء.

ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أن كلاً من التشابك الكمي والثقوب الدودية هي ظواهر تم وصفها لأول مرة في بحثين كتبهما ألبرت أينشتاين وزملاؤه في عام 1935. على ما يبدو، يبدو أن المقالات تتعامل مع ظاهرتين مختلفتين تمامًا، ومن المحتمل أن أينشتاين لم يشك مطلقًا في إمكانية وجود صلة بينهما. في الواقع، كان التشابك سمة من سمات ميكانيكا الكم التي أزعجت الفيزيائي الألماني كثيرًا، واصفًا إياها بـ "العمل الشبحي عن بعد". ومن المثير للسخرية أنها قد تقدم اليوم جسرًا من شأنه أن يمد نظريته النسبية إلى عالم الكم.

الثقوب السوداء والثقوب الدودية

لشرح سبب اعتقادي باحتمال وجود صلة بين التشابك الكمي والثقوب الدودية، يجب علينا أولًا وصف بعض خصائص الثقوب السوداء التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بهذه الفكرة. الثقوب السوداء هي مناطق من الزمكان المنحني، تختلف جذريًا عن الفضاء غير المضطرب نسبيًا الذي اعتدنا عليه. السمة الأكثر تميزًا للثقب الأسود هي أنه يمكننا تقسيم هندسته إلى منطقتين: الجزء الخارجي، حيث يكون الفضاء منحنيًا ولكن لا يزال بإمكان الأشياء والرسائل الهروب، والجزء الداخلي، الذي يقع خلف نقطة اللاعودة. يتم فصل الجزء الداخلي عن الجزء الخارجي بواسطة سطح الآلة أفق الحدث. تعلمنا النسبية العامة أن الأفق ليس أكثر من سطح وهمي: ولن يشعر رائد الفضاء الذي يعبره بأي شيء مميز في ذلك المكان. لكن منذ لحظة عبوره، كان من المقدر للسائح الفضائي أن ينحشر في منطقة ذات انحناء هائل دون أي قدرة على الهروب. (في الواقع، الداخل هو في المستقبل مقارنة بالخارج، لذلك لن يتمكن مسافر الفضاء من الهروب لأنه لا يستطيع السفر إلى الماضي).

بعد عام واحد فقط من نشر أينشتاين النظرية النسبية العامة، اكتشف الفيزيائي الألماني كارل شوارزشيلد أبسط حل لمعادلات أينشتاين، يصف ما سيُسمى فيما بعد بالثقوب السوداء. كانت الهندسة التي صاغها شوارزشيلد غير قابلة للتنبؤ بها لدرجة أنه لم يتمكن العلماء حتى الستينيات من فهم حقيقة أن ما كانت تصفه كان ثقبًا دوديًا يربط بين ثقبين أسودين. من الخارج، تبدو الثقوب السوداء وكأنها كيانات منفصلة تجلس متباعدة عن بعضها البعض، لكنها تشترك في تصميم داخلي مشترك.

في عام 1935، كتب أينشتاين ورقة بحثية حول هذا الموضوع مع زميله ناثان روزين، الذي كان يعمل آنذاك في معهد الأبحاث المتقدمة في برينستون، نيوجيرسي (والذي هاجر إلى إسرائيل عام 1953 وأسس كلية الفيزياء في التخنيون). اقترحوا في ورقتهم البحثية أن هذا الجزء الداخلي المشترك ربما يكون نوعًا من الثقوب الدودية (على الرغم من أنهم لم يفهموا تمامًا الهندسة التي تنبأ بها)، ولهذا السبب تسمى الثقوب الدودية أيضًا بجسور أينشتاين-روزين (جسور ER).

يختلف الثقب الدودي في حل شوارزشيلد عن الثقوب السوداء التي تتشكل بشكل طبيعي في الكون، لأنه لا يحتوي على أي مادة على الإطلاق: فهو ليس أكثر من مجرد زمكان منحني. لكن. الرجال السود الحقيقيون، الذين يتشكلون بشكل طبيعي، لديهم مادة، وبالتالي لديهم جزء خارجي واحد فقط. ويرى معظم الباحثين أن حل شوارزشيلد الكامل، بجزئيه الخارجيين، ليس أكثر من فضول رياضي لا يتعلق بالثقوب السوداء الموجودة في الكون. ومع ذلك، فإنه لا يزال حلاً مثيرًا للاهتمام وقد حاول الفيزيائيون فهم معناه المادي.

يعلمنا حل شوارزشيلد أن الثقب الدودي الذي يربط بين الجزأين الخارجيين للثقب الأسود يتغير مع مرور الوقت. فهي تطول وترق مع مرور الوقت، كما في حالة شد قطعة العجين المرنة. وفي الوقت نفسه، فإن آفاق الثقبين الأسودين، اللذين تلامسا في مرحلة ما، ينفصلان بسرعة. في الواقع، إنهم يتحركون بعيدًا عن بعضهم البعض بسرعة كبيرة لدرجة أننا لا نستطيع استخدام مثل هذا الثقب الدودي للانتقال من جزء خارجي إلى آخر. هناك طريقة أخرى لوصف ذلك وهي أن نقول إن الجسر انهار قبل أن نتمكن من عبوره. في مثل العجين الممدود، يكون انهيار الجسر موازيًا للحالة التي يصبح فيها العجين رقيقًا إلى ما لا نهاية عندما يتم تمديده أكثر فأكثر.

ومن المهم الإشارة إلى أن الثقوب الدودية التي نتحدث عنها تتوافق مع قوانين النسبية العامة، والتي لا تسمح بالسفر بسرعة تتجاوز سرعة الضوء. وهي بهذا تختلف عن الثقوب الدودية التي نجدها في أعمال الخيال العلمي والتي تسمح بالانتقال الفوري بين منطقتين بعيدتين في الفضاء كما في الفيلم بين النجوم. لذلك غالبًا ما تنتهك إصدارات الخيال العلمي قوانين الفيزياء المعروفة.

قد تبدو قصة الخيال العلمي التي تتضمن ثقبًا دوديًا من هذا النوع كما يلي: تخيل زوجين من العشاق، روميو وجولييت. عائلاتهم لا تحب بعضهم البعض، لذلك وضعوا روميو وجولييت في مجرات مختلفة، ومنعوهم من السفر. ومع ذلك، فإن زوج الحمام لدينا واسع الحيلة للغاية وقد تمكنا من بناء ثقب دودي. من الخارج، يبدو الثقب الدودي كزوج من الثقوب السوداء، أحدهما في مجرة ​​روميو والآخر في مجرة ​​جولييت. يقرر العشاق أن يقفز كل منهم إلى داخل الثقب الأسود الخاص بهم. الآن، من وجهة نظر عائلاتهم، فقد قتلوا أنفسهم بالقفز ولن يسمع أحد عنهم مرة أخرى. ولكن دون علم العالم الخارجي، فإن هندسة الثقب الدودي تجعل روميو وجولييت يلتقيان بالفعل في الداخل المشترك! ويمكنهما العيش هناك لفترة في سعادة وثروة، حتى ينهار الجسر ويدمر الداخل ويقتلهما معًا.

التشابك الكمي

ورقة عام 1935 التي تناقش الظاهرة الثانية التي تهمنا، وهي ظاهرة التشابك الكمي، كتبها أينشتاين وروزن وبوريس بودولسكي (الذين عملوا أيضًا في معهد الأبحاث المتقدمة في ذلك الوقت)، المؤلفون الثلاثة الذين تم نشرهم بالأحرف الأولى من أسمائهم: EPRR. في هذا العمل الشهير، ادعى الفيزيائيون أن ميكانيكا الكم تسمح بوجود بعض الارتباطات الغريبة بين الأجسام المادية البعيدة، وهي الميزة التي ستُطلق عليها فيما بعد "التشابك".

الارتباط بين الأجسام البعيدة يمكن أن يوجد أيضًا في الفيزياء الكلاسيكية. تخيل على سبيل المثال أنك غادرت المنزل بقفاز واحد لأنك نسيت الآخر في المنزل. قبل أن تتفحص جيب معطفك، لن تعرف ما إذا كان القفاز الذي أحضرته معك هو يمينك أم يسارك. ولكن بمجرد أن تكتشف أنك أخذت القفاز الأيمن معك، ستعرف على الفور أن القفاز المتبقي في المنزل هو القفاز الأيسر. لكن التشابك يتضمن نوعًا مختلفًا من الارتباط، وهو ارتباط موجود بين الكميات التي تحكمها ميكانيكا الكم، وتخضع لـمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. وفقا لهذا المبدأ، هناك أزواج من المتغيرات الفيزيائية التي من المستحيل معرفة كل منهما على وجه التحديد في وقت واحد. المثال الأكثر شيوعًا يتضمن موقع الجسيم وسرعته: إذا قمنا بقياس موقعه بدقة، ستصبح سرعته غير مؤكدة، والعكس صحيح. تساءل المؤلفون الثلاثة لورقة EPR عما سيحدث إذا قررنا قياس مواقع أو سرعات كل زوج من الجسيمات المتميزة، مع وجود مسافة كبيرة تفصل بينهما.

إن الحكمة التقليدية القائلة بأن لا شيء يمكن أن يهرب من الثقب الأسود هي حكمة تبسيطية للغاية.

تتكون العينة التي تم تحليلها في EPR من جزيئين لهما نفس الكتلة ويتحركان في بعد واحد. ولنتخيل أن العاشقين، روميو وجولييت، هما من سيقومان بالقياسات، لذلك سنسمي الجزيئات باسمهما، R وJ. يمكننا إعداد الجسيمات بطريقة تجعل مركز كتلتها له مكان محدد جيدًا، وهو ما سنسميه x_cm، أي ما يعادل نصف مجموع x_R (مكان الراء) وx أخرى_J (مكان جي جي). يمكننا أن نطالب بأن يكون مركز الكتلة مساويًا للصفر، بمعنى آخر، يمكننا القول إن الجسيمين يكونان دائمًا على مسافة متساوية من بداية المحورين. يمكننا أيضًا أن نقرر أن السرعة النسبية للجسيمات، v_REL، قارن بسرعة (R (v_R ناقص سرعة (J (v_J، سوف تحصل على القيمة الدقيقة؛ على سبيل المثال، يقال أن v_REL يساوي رقمًا ما يسمى v₀. بمعنى آخر، يجب أن يظل الفرق بين السرعتين ثابتًا. نحن هنا نحدد الموقع والسرعة بدقة، ولكن ليس لجسم واحد، لذلك لا نخالف مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. إذا كان لدينا جسيمان مختلفان، فلا شيء يمنعنا من معرفة موقع الأول وسرعة الآخر. وبالمثل، بمجرد تحديد موقع مركز الكتلة، لا يمكننا قول أي شيء عن سرعة مركز الكتلة، ولكن لدينا الحرية في تحديد السرعة النسبية.

والآن نأتي إلى الجزء الأكثر روعة: الشيء الذي يجعل التشابك الكمي يبدو غريبًا للغاية. لنفترض أن جسيماتنا تقع على مسافة كبيرة من بعضها البعض، وقرر راصدان بعيدان، روميو وجولييت، قياس مواقع الجسيمين. الآن، بما أن الجسيمات قد تم إعدادها مسبقًا، إذا حددت جوليا بعض القيمة الدقيقة لـ x_J، سيجد روميو أن موضع جسيمه هو القيمة السالبة لذلك الموضع (x_R = - س_J). لاحظ أن نتيجة جوليا عشوائية: حيث سيتغير موقع جسيمها من قياس إلى آخر. لكن نتيجة روميو تتحدد بالكامل من خلال نتيجة جولييت. لنفترض الآن أن كل واحد منهم يقيس سرعة الجسيم الخاص به. إذا تلقت جوليا قيمة معينة لـ v_J، سيكتشف روميو بالتأكيد أن سرعته هي القيمة التي وجدتها جولييت بالإضافة إلى السرعة النسبية (ع3)._R = الخامس_J + v₀). مرة أخرى، نتيجة روميو تتحدد بالكامل من خلال نتيجة جولييت. بالطبع، يتمتع روميو وجولييت بحرية اختيار المتغير الذي سيقيسانه. وعلى وجه الخصوص، إذا قامت جولييت بقياس المكان وقام روميو بقياس السرعة، فإن نتائجهما ستكون عشوائية ولن يكون هناك ارتباط بينهما.

والغريب في الأمر أنه على الرغم من أن قياسات روميو لسرعة وموقع جسيمه محدودة بمبدأ عدم اليقين لهايزنبرج، فإذا قررت جولييت قياس موقع جسيمها، فإن جسيم روميو سيكون له موقع محدد تمامًا بمجرد معرفة نتيجة ذلك. قياس جولييت. وسوف يحدث الشيء نفسه مع السرعة. يبدو كما لو أنه بمجرد قيام جولييت بقياس الموقع، "عرف" جسيم روميو على الفور أنه يجب أن يكون له موقع محدد جيدًا وسرعة غير مؤكدة، وكان من الممكن أن يحدث العكس لو قامت جولييت بقياس السرعة. للوهلة الأولى، يبدو أن هذا الوضع يسمح بمرور الكثير من المعلومات: تستطيع جولييت قياس المكان، وبعد ذلك سيرى روميو مكانًا محددًا لجسيمه ويستنتج أن جولييت قامت بقياس المكان على أي حال. لكن روميو لن يتمكن من فهم أن جسيمه له مكان محدد دون معرفة القيمة الفعلية التي قامت جولييت بقياسها. لذا فمن المستحيل عمليا استخدام الارتباطات الناتجة عن التشابك الكمي لإرسال إشارات بسرعة أعلى من سرعة الضوء.

على الرغم من أن التشابك قد تم تأكيده تجريبيًا، إلا أنه لا يزال يبدو أنه ليس أكثر من خاصية مقصورة على فئة معينة من الأنظمة الكمومية. ومع ذلك، على مدار العشرين عامًا الماضية، أدت هذه الارتباطات الكمومية إلى العديد من التطبيقات العملية والاختراقات في مجالات مثل التشفير والحوسبة الكمومية.

التكافؤ

كيف يمكن لظاهرتينا الغريبتين، المختلفتين تمامًا عن بعضهما البعض، الثقوب الدودية والتشابك الكمي، أن تكونا مرتبطتين ببعضهما البعض؟ نظرة أعمق على الرجال السود تشير إلى الطريق إلى الحل. في عام 1974، أظهر ستيفن هوكينج أن التأثيرات الكمومية من شأنها أن تتسبب في إصدار الثقوب السوداء للإشعاع بنفس الطريقة التي يصدر بها الجسم الساخن، مما يثبت أن الحكمة التقليدية القائلة بأنه لا يوجد شيء يمكنه الهروب من الثقب الأسود هي فكرة تبسيطية للغاية. تشير حقيقة إشعاع الثقوب السوداء إلى أن لها درجة حرارة: وهو مفهوم له مضامين مهمة.

منذ القرن التاسع عشر، عرف الفيزيائيون أن درجة الحرارة تنتج عن حركة المكونات المجهرية للنظام. في الغاز، على سبيل المثال، يتم إنشاء درجة الحرارة عن طريق الحركات المحمومة للجزيئات. لذلك، إذا كانت للثقوب السوداء درجات حرارة، فيمكننا أن نتوقع أن تحتوي أيضًا على مكونات مجهرية من نوع ما، والتي يمكن أن تتخذ معًا مجموعة متنوعة من التكوينات المحتملة، تسمى الحالات المجهرية. ونحن نعتقد أيضًا أنه، على الأقل كما تبدو الثقوب السوداء من الخارج، يجب أن تتصرف كأنظمة كمومية؛ أي أنهم يجب أن يطيعوا جميع قوانين ميكانيكا الكم. في الختام، عندما نلاحظ ثقبًا أسود من الخارج، من المفترض أن نجد نظامًا يمكن أن يحتوي على العديد من الولايات الدقيقة، واحتمال العثور عليه في كل من هذه التكوينات هو في الأساس نفسه بالنسبة لكل واحدة من هذه الحالات.

وبما أن الأسود الأسود يشبه الأنظمة الكمومية العادية من الخارج، فلا يوجد ما يمنعنا من التفكير في زوج متشابك منهما. تخيل زوجًا من الثقوب السوداء متباعدة جدًا. ولكل منها عدد كبير من الحالات الكمومية المجهرية المحتملة. الآن تخيل زوجًا متشابكًا من الثقوب السوداء حيث يوجد ارتباط بين كل حالة من الحالات الكمومية في الثقب الأسود الأول والحالة الكمومية المقابلة لها في الثقب الآخر. على وجه الخصوص، إذا قمنا بقياس حالة معينة في الثقب الأول، فيجب أن يكون الثقب الثاني في نفس الحالة تمامًا.

النقطة المثيرة للاهتمام هي أنه بناءً على اعتبارات معينة مستوحاة من نظرية الأوتار (التي تعد واحدة من المناهج التي تسعى جاهدة نحو نظرية الجاذبية الكمومية)، يمكننا أن ندعي أن زوجًا من الثقوب السوداء التي تتشابك حالاتها المجهرية بهذه الطريقة (أي، في حالة يمكن تسميتها بحالة EPR المتشابكة) ستخلق زمكانًا يربط فيه ثقب دودي (جسر ER) الجزء الداخلي من الثقبين الأسودين. بمعنى آخر، يخلق التشابك الكمي اتصالًا هندسيًا بين الثقبين الأسودين. هذه النتيجة مثيرة للدهشة لأننا اعتقدنا أن التشابك يتضمن ارتباطات دون اتصال مادي. ومع ذلك، فإن الثقبين الأسودين في هذه الحالة متصلان ماديًا من خلال الجزء الداخلي منهما ويقتربان من بعضهما البعض من خلال الثقب الدودي.

ليونارد سوسكيند من جامعة ستانفورد وأطلقت على معادلة الثقوب الدودية والتشابك اسم "ER = EPR"، لأنها تربط بين الورقتين اللتين كتبهما أينشتاين وزملاؤه في عام 1935. ومن وجهة نظر EPRR، هناك ارتباط بين عمليات رصد الأفق القريب لكل ثقب من الثقوب السوداء، لأن الثقوب السوداء في حالة تشابك كمي. من وجهة نظر ER، هناك ارتباط بين الملاحظات لأن النظامين متصلان من خلال الثقب الدودي.

الآن، إذا عدنا إلى روميو وجولييت من قصة الخيال العلمي لدينا، يمكننا أن نرى ما يجب أن يفعله الزوجان المتحابان لإنشاء زوج متشابك من الثقوب السوداء التي ستشكل الثقب الدودي. أولاً، يجب عليهم إنشاء العديد من أزواج الجسيمات المتشابكة، على غرار الجسيمات التي وصفناها من قبل، مع وجود عضو واحد من كل زوج متشابك في حوزة روميو، والآخر في حوزة جولييت. يتعين عليهم بعد ذلك بناء أجهزة كمبيوتر كمومية معقدة للغاية يمكنها التعامل مع الجسيمات الكمومية لبعضها البعض ودمجها بطريقة يمكن التحكم فيها لتكوين زوج من الثقوب السوداء المتشابكة. ستكون هذه عملية صعبة للغاية، لكنها تبدو ممكنة وفقًا لقوانين الفيزياء. إلى جانب ذلك، قلنا أن روميو وجولييت واسعي الحيلة!

مبدأ عالمي؟

لقد تم تطوير الأفكار التي قادتنا إلى هنا على مر السنين من قبل العديد من الباحثين، بدءًا من ورقة بحثية كتبها عام 1976 فيرنر إسرائيلالذي عمل بعد ذلك في جامعة ألبرتا في كندا. تم أيضًا إنجاز عمل مثير للاهتمام في عام 2006 حول العلاقة بين التشابك وهندسة الزمكان بواسطة شينسي ريو וتاداشي تاكاياناجيوكلاهما كانا يعملان آنذاك في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا. ما دفعني وسوسكيند للبحث في هذا الموضوع هو مقال نشراه في عام 2012 احمد المهيري, دونالد مارلوف,جوزيف بولزينسكي וجيمس سولي، الذين كانوا جميعًا يعملون في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا في ذلك الوقت. واكتشفوا مفارقة تتعلق بطبيعة الجزء الداخلي من الثقب الأسود المتشابك. إن فكرة ER = EPR، التي تقول إن الجزء الداخلي هو جزء من ثقب دودي يربط الثقب الأسود بنظام آخر، تخفف من حدة بعض جوانب هذه المفارقة.

على الرغم من أننا حددنا العلاقة بين الثقوب الدودية وحالات التشابك باستخدام الثقوب السوداء، إلا أنه من المغري التكهن بأن هذه العلاقة أكثر عمومية: ففي أي حالة يوجد فيها تشابك، يوجد أيضًا نوع من الاتصال الهندسي. سيظل هذا التوقع صحيحًا حتى في أبسط الحالات، حيث يكون لدينا جسيمان متشابكان فقط. لكن في مثل هذه الحالات، يمكن أن يشتمل الرابط المكاني على هياكل كمومية صغيرة لا تتناسب مع مفاهيمنا المعتادة في الهندسة. لا نعرف بعد كيف نصف هذه الأشكال الهندسية المجهرية، لكن تشابك هذه الهياكل قد يؤدي بطريقة ما إلى تكوين الزمكان نفسه. إذا جاز التعبير، يمكن اعتبار التشابك بمثابة خيط يربط بين نظامين. عندما يزيد مقدار التشابك، يصبح لدينا العديد من الخيوط، وستكون هذه الخيوط قادرة على الاندماج في الضفيرة التي ستخلق نسيج الزمكان. ووفقا لهذه الصورة، فإن معادلات أينشتاين النسبية تحكم كيفية ربط هذه الأوتار وإعادة ربطها؛ ميكانيكا الكم ليست مجرد إضافة للجاذبية، بل هي جوهر بنية الزمكان.

في الوقت الحالي، هذه الصورة ليست أكثر من فرضية جامحة، ولكن هناك عدة تلميحات تشير في اتجاهها، والعديد منا نحن الفيزيائيين يتعمقون في مضامينها. نحن نعتقد أن ظاهرة التشابك وظاهرة الثقوب السوداء، التي تبدو غير مرتبطة ببعضها البعض، قد تكون في الواقع متكافئة، وأن هذا التكافؤ يوفر دليلا مهما لتطور وصف الزمكان الكمي - والتوحيد الذي طال انتظاره، توحيد النسبية العامة وميكانيكا الكم.