علوم

توماس درينك

 29 أغسطس 2019

ترجمة د. جواد بشارة

يمكن أن توجد الثقوب الدودية المستقرة والقابلة للعبور في الكون يُظهر الفيزيائيون أنه من الممكن نظريًا تثبيت الثقب الدودي للمرور عبره في عام 1935، نشر الفيزيائيان ألبرت أينشتاين وناثان روزين عملهما على تكوينات محددة للزمكان في إطار النسبية العامة، متخذين شكل أنفاق افتراضية في الزمكان تربط منطقتين من الفضاء عرفت باسم جسور آينتشيتن - روزين. في عام 1957، أطلق ويلر وميسنر على هذه الحلول اسم الثقوب الدودية. نظرًا لعدم استقراره، أظهر فريق من علماء الفيزياء النظرية من جامعة كاليفورنيا مؤخرًا أنه مع ذلك من الممكن نظريًا تثبيتها لفترة كافية لتجاوزها أو عبورها.

مثل الثقوب السوداء، الثقوب الدودية هي حلول لمعادلات النسبية العامة. ومع ذلك، على عكس الأولى، لا تزال نظرية بحتة. يقال إنها أنفاق زمكان تربط بين ثقب أسود وثقب أبيض. تعاني هذه الأجسام الافتراضية من عيب رئيسي واحد: فهي غير مستقرة بدرجة كبيرة؛ قد يؤدي مرور فوتون واحد عبرها إلى انهيار الهيكل بأكمله. للحفاظ على ثقب دودي مستقر، يلزم وجود كتلة سالبة. المشكلة؟ الكتلة السلبية والثقوب البيضاء غير موجودة أو لم يتم العثور عليهما  بعد.

جسر بين ثقبين أسودين مشحونين:

تقدم الرياضيات حلاً نظريًا ممكنًا: ثقب أسود مشحون. يمكن أن تحمل الثقوب السوداء شحنة كهربائية. داخل الثقب الأسود المشحون مكان غريب. يتم شد التفرد المركزي وتشويهه، مما يسمح له بالربط مع ثقب أسود آخر مشحون بشكل معاكس.

ومع ذلك، فإن الثقب الدودي الذي يربط بين ثقبين أسودين مشحونين به مشكلتان. أولاً، يظل غير مستقر، وإذا حاول جسم ما أو شخص ما استخدامه، فإنه ينهار. المشكلة الأخرى هي أن الثقوب السوداء ذات الشحنات المتقابلة سوف تنجذب إلى بعضهما البعض - بواسطة قوى الجاذبية والقوى الكهربائية - وإذا اندمجا معًا، فإن النتيجة تكون ثقبًا أسود متعادل كهربائيًا وغير صالح للاستخدام.

الفصل بين الثقوب السوداء باستخدام أوتار كونية:

لذلك، للحفاظ على الثقبين الأسودين بعيدًا عن بعضهما البعض والحفاظ على استقرار الثقب الدودي، هناك حاجة إلى عنصر آخر: الأوتار الكونية (كن حذرًا، هذه الأوتار مختلفة عن سلاسل نظرية الأوتار الفائقة). الأوتار الكونية هي عيوب طوبولوجية نظرية، تشبه التشققات التي تتشكل عندما يتجمد الجليد، في بنية الزمكان. كانت هذه البقايا الكونية قد تشكلت إثر مرور جزءًا من الثانية بعد الانفجار العظيم.

يمتلك الوتر أو الحبل الكوني (الأسود) الممتد ذهابًا وإيابًا عبر الثقب الدودي توترًا كبيرًا يمكنه أن يبقي الثقوب السوداء المشحونة بعيدًا عن بعضهما البعض.

على الرغم من عدم ملاحظتها أو رصدها أبداً، لا توجد فيزياء تمنع تكوينها ووجودها. لديهم خاصية مفيدة للغاية عندما يتعلق الأمر بالثقوب الدودية: التوتر والشد الهائل. يعمل طرفا الحبل الكوني مثل فريقين يلعبان لعبة شد الحبل. وبالتالي، إذا تم عبور سطح كل ثقب أسود مشحون بنهاية سلك كوني، فسيتم إبعادهما عن بعضهما البعض.

الحلقات والطاقة السلبية: تثبيت الثقب الدودي:

يحل الحبل الكوني إحدى المشكلات (إبقاء الأطراف مفتوحة)، لكنه لا يمنع الثقب الدودي من الانهيار إذا تم استخدامه. الحل هو لف سلك كوني ثانٍ حول الثقب الدودي. عندما تشكل الأوتار الكونية حلقة، فإنها تولد اهتزازات قوية في الزمكان. ويمكن للتقلبات الكمومية تحويل الطاقة المحيطة إلى طاقة سلبية، مما يؤدي إلى استقرار الثقب الدودي.

الحل النظري يقول إن وجود سلسلة كونية مضغوطة (زرقاء)، تشكل حلقة حول الثقب الدودي، يولد تقلبات كمومية تحافظ على استقرار الثقب الدودي. قد يبدو الأمر معقدًا، ولكن في مقالهم المنشور على خادم arXiv قبل النشر، قدم الفيزيائيون تعليمات محددة خطوة بخطوة لبناء مثل هذا الثقب الدودي. هذا ليس حلاً مثاليًا: في النهاية، الاهتزازات المتأصلة في الأوتار الكونية - نفس الاهتزازات التي قد تبقي الثقب الدودي مفتوحًا - تسحب الطاقة، وبالتالي الكتلة، بعيدًا عن الخيط أو الحبل، مما يجعلها أكثر فأكثر صغراً.

تدريجيًا، تضعف الحبال الكونية في النهاية لأنها تشع الطاقة، مما يتسبب في انهيار الثقب الدودي بلا هوادة ومع ذلك، يمكن لمثل هذه الطريقة أن تحافظ على الثقب الدودي مستقرًا لفترة كافية لإرسال رسالة أو حتى أشياء إليه أو عبره.

الثقوب الدودية: قد تكون أدوات اتصال سيئة للغاية عبر الزمكان ويمكن أن توجد الثقوب الدودية المستقرة والقابلة للعبور في الكون:

الثقوب الدودية هي من بين الحلول الحالية لمعادلات أينشتاين للنسبية العامة. إنها تتكون من نفق يعبر الزمكان، ويربط بين نقطتين بعيدتين في بضع ثوانٍ فقط. تضمنت الحلول الأولى من نوع الثقوب الدودية التي وجدها الفيزيائيون أنظمة غير مستقرة تتطلب طاقة سالبة، وهو عنصر تعتبره الفيزياء الكلاسيكية مستحيلًا بشكل عام. في الآونة الأخيرة، أظهر اثنان من علماء الفيزياء أنه في ظل ظروف محددة تتضمن فيزياء تتجاوز النموذج القياسي، فإن ميكانيكا الكم تسمح بوجود ثقوب دودية ثابتة يمكن للبشر والأجسام والمركبات الفضائية عبورها. في حين أن الشروط الضرورية ليست حاليًا متوفرة، أي تلك الخاصة بالكون الذي نراقبه ونرصده، فإن هذه النتائج تظهر القوة النظرية للتفاعلات بين النسبية العامة وميكانيكا الكموم.

في دراسة جديدة قام بها اثنان من علماء الفيزياء النظرية، فإن وجود الفيزياء خارج النموذج القياسي يمكن أن يعني أن هناك ثقوب دودية ليست كبيرة بما يكفي لاجتيازها، ولكنها آمنة تمامًا للمسافرين من البشر. يتطلعون إلى الانتقال من النقطة أ إلى النقطة ب. أجرى الدراسة خوان مالداسينا وأليكسي ميليخين. كتب الثنائي بشكل مكثف حول موضوع الثقوب الدودية في الماضي وكيف يمكن أن تكون وسيلة آمنة للسفر في الفضاء.

ظهرت نظرية الثقوب الدودية في بداية القرن العشرين، استجابةً لنظرية أينشتاين في النسبية العامة. أول من افترض وجودها كان كارل شوارزشيلد، عالم فيزيائي وعالم فلك ألماني نتج عن حلوله لمعادلة أينشتاين الميدانية (مقياس شوارزشيلد) أول أساس نظري لوجود الثقوب السوداء.

كانت نتيجة مقياس شوارزشيلد ما أسماه "الثقوب السوداء الأبدية"، والتي كانت في الأساس روابط بين نقاط مختلفة في الزمكان. ومع ذلك، فإن ثقوب شوارزشيلد  Schwarzschild (المعروفة أيضًا باسم جسور Einstein - Rosen) آينشتاين -روزين ،لم تكن مستقرة لأنها انهارت بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن لأي شيء أن يمر عبرها أو من خلالها من طرف إلى آخر.

الطاقة السلبية التي تسمح بها ميكانيكا الكموم:

كما يوضح مالداسينا وميليخين، تتطلب الثقوب الدودية التي يمكن عبورها ظروفًا خاصة. يتضمن هذا وجود الطاقة السلبية، وهو أمر غير مسموح به في الفيزياء الكلاسيكية - ولكنه ممكن في مجال فيزياء الكموم أو الكوانتوم. يزعمون أن أحد الأمثلة الجيدة على ذلك هو تأثير كازيمير casimir، حيث تنتج الحقول الكمومية طاقة سالبة أثناء الانتشار على طول دائرة مغلقة.

كتبوا في مقالتهم: "لقد أدركنا أن هذا التأثير يمكن أن يصبح كبيرًا للثقوب السوداء ذات الشحنات المغناطيسية القوية. كانت الفكرة الجديدة هي استخدام الخصائص الخاصة للفرميونات المشحونة عديمة الكتلة (وهي جسيمات مثل الإلكترون، ولكن صفر الكتلة). بالنسبة للثقب الأسود المشحون مغناطيسيًا، تنتقل هذه الثقوب على طول خطوط المجال المغناطيسي (على غرار، كيف تخلق الجسيمات المشحونة في الرياح الشمسية الشفق القطبي بالقرب من المناطق القطبية للأرض).

مخطط يوضح هندسة ثقب أسود واحد أقصى (يسار) وثقب دودي (يمين). تشير الخطوط الخضراء إلى خطوط المجال المغناطيسي. هم يشكلون دوائر مغلقة، يدخلون أحد الفمين، ويتنقلون عبر الثقب الدودي، ويخرجون من الفم الآخر ثم يعودون إلى الفم الأول في الفضاء المحيط. من تصميم: خوان مالداسينا وأليكسي ميليخين.

حقيقة أن هذه الجسيمات يمكن أن تتحرك في دائرة عن طريق الدخول إلى مكان والظهور حيث بدأت في الفضاء المسطح المحيط، تشير إلى أن "طاقة الفراغ" قد تم تعديلها ويمكن أن تكون سالبة. يمكن أن يدعم وجود هذه الطاقة السلبية وجود ثقب دودي مستقر، جسر بين نقاط في الزمكان لا ينهار حتى تتاح الفرصة لشيء ما لعبوره.

هذه الثقوب الدودية ممكنة على أساس المادة التي تعد جزءًا من النموذج القياسي أو المعياري لفيزياء الجسيمات. المشكلة الوحيدة هي أن هذه الثقوب الدودية يجب أن تكون مجهرية الحجم وأن تكون موجودة فقط لمسافات صغيرة جدًا. بالنسبة لحركة الإنسان، من المتوقع أو المفترض أن تكون الثقوب الدودية كبيرة ، مما يتطلب استخدام الفيزياء خارج النموذج القياسيأو المعياري.

 الثقوب الدودية المجدية في نموذج الكون خماسي الأبعاد Randal-Sundrum II 5

بالنسبة إلى Maldacena و Milekhin ، هنا يأتي دور نموذج Randall-Sundrum II (المعروف أيضًا باسم نظرية الهندسة المشوهة خماسية الأبعاد). سمي هذا النموذج على اسم الفيزيائيين النظريين ليزا راندال ورامان سوندرم، ويصف هذا النموذج الكون من حيث الأبعاد الخمسة واقترح في الأصل حلها مشكلة التسلسل الهرمي في فيزياء الجسيمات.

حول نفس الموضوع: أظهر الفيزيائيون أنه من الممكن نظريًا تثبيت الثقب الدودي للمرور خلاله:

"استند نموذج Randall-Sundrom II إلى إدراك أن هذا الزمكان الخماسي الأبعاد يمكن أن يصف أيضًا الفيزياء عند طاقات أقل مما نستكشفه عادةً ، لكنه كان سينجو من الاكتشاف لأنه فقط يتفاعل مع مادتنا عن طريق الجاذبية. في الواقع، تشبه فيزياءها إضافة العديد من الحقول عديمة الكتلة شديدة التفاعل إلى الفيزياء المعروفة. ولهذا السبب، يمكن أن يؤدي إلى الطاقة السلبية المطلوبة ".

وفقًا لعمل Maldacena وMilekhin، فإن الثقوب الدودية الخاصة بهم لن تستغرق وقتًا طويلاً لتمريرها من منظور المسافر. من وجهة نظر مراقب خارجي، فإن وقت السفر سيكون أطول بكثير، وهو ما يتوافق مع النسبية العامة. بالنسبة لرواد الفضاء الذين يعبرون الثقب الدودي، لن يستغرق الأمر سوى ثانية واحدة من وقتهم للسفر 10000 سنة ضوئية. بينما بالنسبة للمراقب الذي لا يمر عبر الدوامة ويبقى في الخارج فهو سيرى عبورهم يستغرق أكثر من 10000 عام. وكل هذا بدون استخدام الوقود، لأن الجاذبية تسرع المركبة الفضائية وتبطئها.

آلية نظرية مثيرة للاهتمام، لكنها ليست واقعية للغاية:

في حين أن هذا قد يبدو مشجعًا لأولئك الذين يعتقدون أن الثقوب الدودية يمكن أن تكون يومًا ما وسيلة للسفر إلى الفضاء، فإن عمل مالداسينا وميليخين له أيضًا عيوب كبيرة. بالنسبة للمبتدئين، أشاروا إلى أن الثقوب الدودية التي يمكن اجتيازها يجب تصميمها باستخدام كتلة سالبة، حيث لا توجد آلية معقولة لتكوينها الطبيعي.

في حين أن هذا ممكن (على الأقل من الناحية النظرية)، ولكن يجب أن تكون التكوينات اللازمة للزمكان موجودة مسبقًا. ومع ذلك، فإن الكتلة والحجم المعنيان كبيران للغاية لدرجة أن المهمة تتجاوز أي تقنية عملية يمكننا توقعها. ثانيًا، ستكون هذه الثقوب الدودية آمنة فقط إذا كان الفضاء باردًا ومسطحًا، وهذا ليس هو الحال خارج نموذج Randall Sundrum II. راندال سندروم 2. وفوق كل هذا، فإن أي جسم يدخل الثقب الدودي سوف يتسارع ، وحتى وجود إشعاع الخلفية الكونية من شأنه أن يشكل خطرًا كبيرًا استقراره وثباته. ومع ذلك، يشير مالداسينا وميليخين إلى أن دراستهم أجريت بهدف إظهار أن الثقوب الدودية التي يمكن عبورها ويمكن أن توجد بسبب "التفاعل الدقيق بين النسبية العامة وفيزياء الكموم".

..................

المصادر: arXiv