إنتروبيا بارو

نار لا تنطفئ فورًا، بل تظل جمرًا متوهجًا لساعات، لأن الحطب في داخلها ما زال يحتفظ بحرارة اللهب الماضي. هكذا تقريبًا يعمل تأثير الذاكرة لدى الثقوب السوداء — أجسام ذات جاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها.

عندما يُنفخ بالون بسرعة كبيرة، تبدأ جدرانه بالاهتزاز. تقريبًا نفس الشيء حدث للفضاء في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم: كان الكون يتمدد بسرعة، وتموج نسيجه نفسه.

نظرية الحقل الكمومي هي اللغة التي يصف بها الفيزيائيون الجسيمات الأولية وتفاعلاتها. قرر مؤلفو العمل "تعديل" هذه اللغة قليلاً — أدخلوا تشوهات، أي تغييرات صغيرة في قواعد اللعبة. بسببها تصبح النظرية غير موضعية: تبدأ الجسيمات في الشعور ببعضها البعض ليس فقط عند نقطة التصادم، بل كما لو كانت عن بعد — كما لو كان لاعبو الشطرنج قادرين على التأثير على قطع الخصم دون لمس الرقعة.

الدوامة تبتلع الماء، لكنها ترش معظمه حولها. هذا تقريبًا سلوك الثقب الأسود عندما يسقط عليه الكثير من المادة. في دراسة جديدة، أجرى علماء الفيزياء الفلكية 32 محاكاة حاسوبية لفهم كيف تتحكم معلمات الثقب - الكتلة والدوران و"الشهية" - في هذه النوافير الكونية. اتضح أن كتلة الثقب (في نطاق من 5 إلى 30 كتلة الشمس) لا تؤثر تقريبًا على أي شيء.

يسقط حجر في ماء هادئ — فتنتشر دوائر على السطح. يتصرف الثقب الأسود بطريقة مشابهة عندما يسقط فيه شيء ما أو عندما يندمج مع ثقب آخر. يبدأ الثقب في الاهتزاز، وتنتقل هذه الاهتزازات إلى الفضاء على شكل موجات ثقالية. يطلق علماء الفيزياء الفلكية على هذه العملية اسم «رنين» الثقب الأسود.

الثقب الأسود الجالس على غشاء كوني رقيق (brane) يشبه كرة ثقيلة شدّت غشاءً مرنًا. في الفيزياء الكلاسيكية، هو أصلع — فقط كتلة وشحنة ودوران. لكن بمجرد إضافة حقل قياسي (مادة غير مرئية تشبه درجة الحرارة) — يمكن للثقب أن يكتسي تلقائيًا «بفرو» من هذا الحقل. وهذا هو التقييس التلقائي (spontaneous scalarization).

يتحول الماء إلى جليد عند صفر درجة مئوية — فجأة، دون حالات وسيطة. شيء مشابه يحدث للتعقيد عندما نأخذ حالة كمومية عشوائية لنظام كامل وننظر إلى جزء منه فقط. فما دام هذا الجزء يشغل أقل من نصف النظام، ينمو تعقيده بسلاسة. ولكن بمجرد أن تتجاوز النسبة 50%، تحدث قفزة.

شعاع الضوء الذي ينزلق على طول أفق الثقب الأسود لا يتحرك فحسب، بل يحمل معه الحرارة والمعلومات. لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن هندسة هذه الأشعة تخضع لقواعد صارمة، لكن التفاصيل ظلت غامضة. العمل الجديد يحول هذه القواعد إلى متباينة واضحة.

في مركز معظم المجرات تختبئ ثقوب سوداء فائقة الكتلة — أسياد الجاذبية. منذ عام 2019، وبفضل قياس التداخل ذي القواعد فائقة الطول، بتنا نرى ظلالها: صورًا ظلية داكنة على خلفية من الغاز المتوهج. لكن ما الذي يرسم هذا الظل بالضبط؟ سيناريوهان، كدميتين في مسرح الظلال، يمكنهما إلقاء مخططات تكاد لا تُميَّز.

لطالما ساد في علم الكون اعتقاد مستمد من هوكينج: في عصر الإشعاع، لا تنمو الثقوب السوداء الأولية.

محيط شاسع، كل موجة فيه تحمل معلومات عن الأعماق. هكذا تقريبًا يعمل كوننا في إطار المبدأ الهولوغرافي: فيزياء الحجم الداخلي يمكن وصفها عبر عمليات على حدوده.

استخلاص إشارة من زوج واحد من الثقوب السوداء فائقة الكتلة يشبه تمييز خطوات راقص في هدير إعصار. في مكان ما من الكون، يدور هذان الوحشان في رقصة جاذبية بطيئة، يشوهان الزمكان نفسه. إن أمواج الجاذبية الخاصة بهما ليست دفقات حادة كما في LIGO، بل تنفس عميق للقياس المتري، ممتد على مدى سنوات.

تقليديًا، كان يُوصف الثقب الأسود بثلاث معاملات — الكتلة، الشحنة والزخم الزاوي. هذا الوصف المقتضب، الذي أوجزه جون ويلر في قول مأثور: «الثقوب السوداء ليس لها شعر». لكن نظرية الكم تُصر على تعقيد داخلي هائل: أنتروبيا بيكينشتاين-هوكينج تشير إلى عدد هائل من الحالات الميكروية — أشبه بمكتبة من المعلومات.

البحث عن الأنيونات غير الأبيلية هو مطاردة شبح كمومي لا يترك سوى دليل واحد: الإنتروبيا. تعيش هذه الجسيمات في أنظمة ثنائية الأبعاد عند درجات حرارة فائقة الانخفاض. تبادلها لا يقتصر على تغيير إشارة الدالة الموجية، بل يُشابك الحالات، خالقاً نظاماً طوبولوجياً.

بعد الانفجار العظيم، مر الكون بـتوسع سريع – التضخم، الذي مهد إشعاع الخلفية الكونية وزرع بذور المجرات. لكن على المستوى الكمومي، كانت التقلبات الفوضوية تنضج في حقل الإنفلاتون.

في مركز مجرة M87، على بُعد 55 مليون سنة ضوئية منا، يتربص ثقب أسود كتلته تعادل 6.5 مليار شمس. في عام 2019، كشف تلسكوب Event Horizon Telescope (EHT) لأول مرة عن صورته: كعكة دائرية برتقالية اللون بقلب مظلم. لكن الكعكة ليست الهاوية نفسها؛ إنها غاز متوهج محمّى إلى مليارات الدرجات، يدور قبل أن يختفي إلى الأبد. أما الظل الحقيقي فهو أصغر قليلًا من الحلقة، وحجمه مشفّر في الإشعاع.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الكون مليئًا ببلازما ساخنة شبه متجانسة. لكن في بعض الأماكن، قد تكون الكثافة أعلى قليلاً بالصدفة. إذا اكتسب هذا التجمع كتلة حرجة، فإنه ينهار ليشكل ثقبًا أسود — هكذا وُلدت الثقوب السوداء البدائية.

في البحث عن طبيعة المادة المظلمة، تنطلق إحدى أكثر الفرضيات تشويقاً من اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. حينها، من التقلبات الكمومية لحقل التضخم، نشأت تكتلات من المادة كانت قادرة على الانهيار إلى ثقوب سوداء بدائية.

ثقب أسود فائق الضخامة يسبح في سحابة من المادة المظلمة. في الصورة المألوفة، هذه المادة غير المرئية تضيف كتلة فقط ولا تكاد تمس المادة العادية. لكن جسيمات المادة المظلمة قد تمتلك دورانًا ذاتيًا — سبينًا. في توسيع النظرية النسبية العامة، نظرية أينشتاين-كارتن، يصبح سبين المادة مصدرًا لالتواء إضافي في الزمكان.

الثقب الأسود ليس مجرد مكنسة كونية. إنه منطقة ذات جاذبية قوية لدرجة أن الضوء نفسه لا يمكنه الإفلات منها. ولكن إذا وضعناه في سائل مثالي من المادة المظلمة وأضفنا سحابة من الأوتار — خيوط رفيعة مشدودة عبر الفضاء كله — تصبح الصورة أكثر تعقيدًا.

يشبه الثقب الأسود القمة الدوّارة: كلما دار أسرع، كان سلوكه أكثر وضوحًا. له حدّان — الأفق الخارجي والأفق الداخلي، وهما حدّان لا يعبرهما حتى الضوء عائدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون داخل ثقب أسود دوّار مشحون وضربوا مساحتي هذين السطحين.

النار لا تخمد دفعة واحدة. إذا ألقيت نظرة على اللهب في لحظة عشوائية، لن ترى سوى خليط من ألسنة النار — ولن تفهم أبدًا ما الذي احترق: غصن مبلل، مجلة قديمة، أم حزمة من العشب الجاف. لكن إذا راقبت النار ساعة بعد ساعة، تظهر في رقصتها إيقاعات: موجة حرارة، هدوء، تغير في اللون. هذه الإيقاعات تحكي عما أُلقي في النار. نمط مشابه يظهر في تبخر الثقب الأسود.

سرب من الكرات الجليدية الصغيرة متناثر في غرفة دافئة. بعضها يذوب أسرع، والبعض الآخر أبطأ، لكن عندما لا يتبقى منها سوى بقع رطبة، تختفي جميعها بنفس الطريقة: آخر قطرة تتبخر وفقًا لنفس القانون. هذا تقريبًا ما تفعله الثقوب السوداء البدائية — أجسام افتراضية وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم. أخفها تعيش منذ زمن طويل ثوانيها الأخيرة، ويخضع تبخرها النهائي لسيناريو عالمي.

الثقوب السوداء تفقد كتلتها تمامًا كما يتبخر الماء من دلو تُرك تحت الشمس — هذه العملية، المعروفة باسم إشعاع هوكينغ، تنبأ بها نظريًا ستيفن هوكينغ.

الزمكان يشبه ورقة عملاقة. اطوِها، فتقترب الزوايا البعيدة. اثقبها بقلم رصاص، فتحصل على ثقب دودي، نفق قصير عبر الطيات. لكن الورقة تسعى للاستقامة، مغلقةً الممر. لإبقائه مفتوحًا، نحتاج إلى «حشية» نادرة — مادة ذات طاقة سالبة. تنشأ هذه المادة إذا أعدنا التفكير في الإنتروبيا — مقياس الفوضى على هذه الورقة.

الضوء الساقط في ثقب أسود يحمل معلومات — على سبيل المثال، المسار الذي سلكه الفوتون. يستجيب الأفق (السطح الذي لا يعود منه شيء) لذلك بتغير إنتروبياه — مقياس الاضطراب، المشابه لعدد الصفحات المخلوطة في كتاب. لكن الضوء يتكون من كمّات، والعالم الكمومي لا يحتمل السكون التام: فيه دائمًا ارتجاف — تذبذبات عشوائية، مثل تموجات على سطح الماء بفعل الرياح.

الجاذبية ليست أساسية — إنها ظل تلقيه الإنتروبيا، مقياس الفوضى. في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف جاكوب بكنشتاين وستيفن هوكينغ أن الثقوب السوداء تخزّن الفوضى على سطحها، وكأن المعلومات منتشرة على الغلاف.

قطعة سكر تزن حوالي غرام. أما الثقب الأسود الذي يمكن أن يختبئ في مثل هذه القطعة فسيزن مثل جبل صغير — مليارات الأطنان. لكن حتى هذه الصغائر، التي وُلدت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان من المفترض أن تختفي منذ زمن بعيد. كانت تحرقها إشعاعاتها الخاصة — مثل مكعب ثلج على مقلاة محمّاة، لكن بدل الماء كانت الطاقة تتطاير.

ثقب أسود صغير بحجم نواة ذرية لكن بكتلة جبل، نشأ في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، عندما كانت كتل الطاقة العشوائية تنهار لتكوّن مثل هذه الأجسام. إذا وُجدت هذه الثقوب بأعداد كبيرة، فقد أصبحت لفترة وجيزة المحتوى الرئيسي للكون، ثم تتبخر عبر إشعاع هوكينغ — وهو «ذوبان» بطيء للثقب الأسود عندما يعيد الطاقة إلى الفضاء.

الموجات الثقالية — تموّجات في نسيج الزمكان تنبأ بها أينشتاين — كشفت هاوية: الثقوب السوداء التي تتراوح كتلتها بين 60 و120 كتلة شمسية لا تولد تقريبًا.

الثقب الأسود ليس كرة جامدة. إنه أشبه بفقاعة صابون يمكن أن تتمدد جدرانها وتنكمش. بل إن له طبقتين: أفق خارجي لا يعبره الضوء عائدًا، وأفق داخلي مخفي في الأعماق. عندما يبتلع الثقب مادة أو يفقد طاقة، تتحرك الطبقتان معًا — مثل غشاء فقاعة يتغير حجمه.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، مرّ الكون بتوسع سريع — التضخم الكوني. خلال هذه الفترة، في مناطق مجهرية، ربما وصلت التقلبات العشوائية في الكثافة إلى قيم حرجة، مما أدى إلى انهيار المادة لتكوين ثقوب سوداء بدائية — أجسام بحجم البروتون، لكن بكتلة تعادل كتلة جبل جليدي.

في الثانية الأولى بعد الانفجار العظيم كان الكون مرجلاً يغلي بالطاقة. كانت أزواج «جسيم-جسيم مضاد» تولد وتفني بعضها بعضاً في الحال. لكن مقابل كل مليار من هذه الأزواج، كان هناك جسيم مادة واحد ينجو — وأصبح هذا الباقي نجوماً وكواكباً وبشراً. يلقي بحث جديد باللوم في ذلك على الجاذبية المعدلة.

حجر يسقط في بركة ماء، فتنتشر دوائر على سطح الماء. هكذا أيضًا الثقب الأسود، وهو ساكن في الفراغ، قد يصادف موجة جاذبية أو سحابة غاز. فهو لا يبقى غير مبالٍ: سطحه (أفق الحدث) ينحني قليلًا، مثل غشاء مشدود تحت وزن قطرة ماء.

يُملأ بالون بالهواء بسرعة متزايدة. في البداية يتمدد بسلاسة، لكن في لحظة ما تتعطل المضخة — تنخفض السرعة ثم تتزايد من جديد. خلال هذه الاستراحة القصيرة، تظهر فقاعات صغيرة على المطاط. ومع مزيد من النفخ، تتحول إلى عقد كثيفة. شيء مشابه حدث للكون نفسه مباشرة بعد الانفجار العظيم.

إن اندماج ثقبين أسودين يشبه رقصة تنتهي بموجة قوية — موجة ثقالية. تحمل هذه الموجة بصمة كيفية انحناء الزمكان حول الأجسام. لو كانت الهندسة مختلفة عما نعرفه — كما لو كانت كرة تتدحرج ليس على أرضية مستوية بل على مشمع متموج — لكانت الإشارة مختلفة.

الماء، الذي يُفصَل بالكهرباء إلى هيدروجين وأكسجين، هو حلم قديم للوقود النظيف. لكن فقاعات الغاز الصغيرة تقف في الطريق: فهي تلتصق بالأقطاب الكهربائية مثل الرغوة على جدران كوب المشروب الغازي، وتعيق التيار عن أداء عمله. كل فقاعة من هذه الفقاعات هي بمثابة سدادة صغيرة تحجب جزءًا من السطح حيث يجب أن يحدث التفاعل. قرر العلماء النظر في ما سيحدث إذا رفعنا الضغط في الجهاز.

بعض الثقوب السوداء هي بقايا من الانفجار العظيم. عادةً ما تتلاشى عبر تسرب إشعاعي بطيء، تنبأ به ستيفن هوكينغ. لكن مفتاحًا كموميًا قد يقلبها لتصبح ثقوبًا بيضاء، مطلقةً كل طاقتها بشكل انفجاري مثل حبات الفشار التي تنفجر فجأة.

الثقوب السوداء التقليدية الثقوب السوداء — مناطق في الزمكان بجاذبية هائلة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها — وفقًا للنظرية النسبية العامة تخفي في مركزها تفرّدًا: نقطة كثافة وانحناء لا نهائيين حيث تفقد قوانين الفيزياء المعروفة معناها. ومع ذلك، توجد نماذج نظرية يستبدل فيها التفرّد بنواة كثيفة لكنها محدودة الأبعاد من مادة غريبة.

الثقوب السوداء البدائية الثقوب السوداء — وهي أجسام افتراضية نشأت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم من انهيار تموجات فائقة الكثافة — وفقًا للتنبؤ الكلاسيكي لستيفن هوكينج، كان ينبغي أن تختفي منذ زمن طويل: أن تتبخر تمامًا بفعل الإشعاع الكمومي، مثل بركة ماء تختفي تحت أشعة الشمس. ومع ذلك، تظهر حسابات جديدة أن التبخر ليس بتلك السرعة.