طاقة سالبة

في مركز النجم النيوتروني، تكون المادة مضغوطة لدرجة أن ملعقة صغيرة تزن مليار طن. يبدو أنه لا يوجد مكان أفضل للبحث عن آثار الجاذبية الكمية (Quantum Gravity). لكن بين المختبر والمقياس الأساسي، هناك هوة مقدارها 10⁸⁰ مرة في الكثافة. ثلاثة أبواب تؤدي إلى هذه الغرفة.

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.

في الفضاء السحيق، يوجد جسم افتراضي — ثقب أسود فائق البرودة. يحمل شحنة كهربائية ويقع في كون يتمدد — فضاء دي سيتر، حيث يهيمن الثابت الكوني. درجة حرارته قريبة من الصفر المطلق — أعلى منه بحوالي واحد على تريليون درجة.

يشبه الكون أحيانًا قماشًا قديمًا: بعد التبريد السريع، ربما بقيت فيه تجاعيد — خيوط رفيعة شبه خفية بكثافة هائلة. تُسمى هذه الأوتار الكونية. عادةً، يختبئ في مركز مثل هذا الوتر تفرّد — نقطة يكون فيها انحناء الزمكان لانهائيًا، وتفقد قوانين الفيزياء معناها. لكن مؤلفي الدراسة اختاروا نسخة أخرى: وترًا بلا رأس حاد، بمقطع أملس. إنه يشبه أثر قلم حبر جاف — الضغط أقوى في المنتصف وأضعف عند الأطراف.

كرتان ألقيتا من ارتفاعات مختلفة تسقطان على الأرض بتسارع مختلف. في الفضاء، الأمور أكثر تعقيدًا: حتى الفراغ يجعل الأجسام تتحرك بشكل مختلف. أخذ مؤلفو العمل زمكانًا يحتوي على الجذب العادي للمادة وعلى التنافر الكوني الغامض (يسمى الطاقة المظلمة)، ونظروا كيف تتغير المسافة بين جسيمين يتحركان بحرية. اتضح أن هناك سطحًا حرجًا — كرة غير مرئية تقسم العالم إلى منطقتين.

يقوم محرك الاعوجاج على فكرة أينشتاين بأن الأجسام الضخمة تُحدث انحناءً في الزمكان — ذلك المسرح الذي تجري عليه جميع الأحداث الكونية. تخيل فقاعة من هذا الزمكان المنحني. بداخلها، تطفو السفينة دون أي تسارع — كراكب في مقصورة طائرة لا يشعر بالرياح المعاكسة.

حيرت مفارقة الثقب الأسود الفيزيائيين لعقود. إذا تبخر الثقب الأسود في النهاية عبر إشعاع هوكينج، فأين تذهب المعلومات عن كل ما سقط فيه؟ أظهرت أعمال ستيفن هوكينج وجاكوب بيكينشتاين أن إنقاذ القوانين الأساسية للطبيعة يتطلب خطوة غير تقليدية.

يشبه الثقب الأسود مكنسة كهربائية مثالية: كل ما يعبر أفقه يختفي دون أثر. لكن لهذه المكنسة سمة غريبة — «كيس الغبار» الخاص بها يكبر، ومن حجم الكيس يمكن معرفة مقدار ما دخل إليه. في فيزياء الثقوب السوداء، يرتبط هذا الحجم بالإنتروبيا الإنتروبيا — مقياس المعلومات الخفية حول ما سقط في الداخل.

يشبه الثقب الأسود بئرًا بلا قاع. يمكنك قياس كمية الماء التي تسربت إليه بالنظر إلى المستوى من الخارج. ولكن كيف تعرف كتلة الماء نفسه إذا كنت واقفًا داخل البئر؟ هذه تقريبًا هي المشكلة التي يحلها مؤلفو العمل الجديد. لقد بنوا «ميزانًا» للكتلة المحصورة في منطقة محدودة من الفضاء — على سبيل المثال، حول أفق الثقب الأسود.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي في الزمكان المنحني يربط بين منطقتين بعيدتين في الكون، ويمكن أن يختصر المسافة بينهما. في النظرية الكلاسيكية لأينشتاين (النسبية العامة)، يُسمى هذا النفق جسر أينشتاين-روزن، وهو غير مستقر للغاية: فهو ينهار فورًا تقريبًا بعد تكوّنه.

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.

يشبه الثقب الأسود خزنة مثالية: كل ما يدخل إليه يبدو وكأنه فقد إلى الأبد. لكن على المستوى المجهري، هو لا يدمر المعلومات، بل يخلطها مع درجات حريته الداخلية — مثل أوراق اللعب بعد خلطها جيدًا.

لقرابة قرن، يراقب علماء الفلك كيف تدور المجرات وكأن كتلة غير مرئية تمسك بها. أول من لاحظ ذلك كان فريتز زويكي أثناء دراسته حركة المجرات في عنقود كوما، بينما قامت فيرا روبين بقياس دقيق لسرعات النجوم في أطراف المجرات الحلزونية، فاكتشفت أنها تظل مرتفعة ولا تنخفض كما كانت المادة المرئية تتنبأ.

الثقب الدودي هو نفق افتراضي عبر نسيج الزمكان، وهو مفهوم طوره جون ويلر وكيب ثورن. وكما يميل الممر في الجبل إلى الانهيار تحت ثقله، فإن عنق الثقب الدودي يميل إلى الانغلاق تحت تأثير الجاذبية.

القهوة الساخنة على الطاولة تبرد: تنتشر الحرارة من المركز الساخن نحو الأطراف. وبنحو مماثل، يفترض المؤلفون أن الكون نفسه يتصرف هكذا — لكن على نطاق مليارات السنين الضوئية. نموذجهم لا يصف الطاقة المظلمة المألوفة، بل إعادة توزيع سلسة للطاقة داخل الكون، تشبه الحركة البطيئة للحرارة من المناطق الأكثر كثافة إلى المناطق الأقل كثافة. هذا التدفق للطاقة ليس مجرد استعارة جميلة.

الكون مدينة شاسعة. المادة المظلمة فيها هي الهيكل الخفي للمباني، بينما الطاقة المظلمة هي القوة التي توسع الشوارع. لطالما اعتبرتاهما مستقلين عن بعضهما، لكن دراسة جديدة كشفت عن تواصلهما السري. استخدم علماء الفلك عدسات الجاذبية - تجمعات ضخمة من المجرات التي تحني الضوء كالمرايا المقعرة على مفترقات الطرق.

بالفعل في ثلاثينيات القرن الماضي، لاحظ فريتز زفيكي أن سرعات المجرات في العناقيد أعلى بكثير مما تسمح به الكتلة المرئية. لاحقاً، أكدت فيرا روبين ذلك للمجرات الفردية. منذ ذلك الحين، قاد لغز «الكتلة المفقودة» إلى فرضية المادة المظلمة — مادة خفية تمنع البنى الكونية من التشتت.

تخيّلوا أوركسترا وهي تضبط آلاتها: ترتفع آلات الكمان إلى الأعلى – هذا هو "التشيرب" المألوف لاندماجات الثقوب السوداء في كواشف ليغو. والآن تخيّلوا لحنًا جنائزيًا: صوت يهبط إلى الأسفل، مثل صفارة إنذار تخفت تدريجيًا. هذا بالضبط هو البصمة الموجية الثقالية التي ينبغي أن يتركها نظام حيث تكون إحدى الكتلتين سالبة.

يشبه الزمكان أحيانًا ورقة يمكن أن نثقب فيها ثقبًا ونصل الحافتين بأنبوب قصير — فنحصل على ثقب دودي. في أبسط النماذج الرياضية لهذه الثقوب تظهر مجالات قياسية عديمة الكتلة — تشبه ضبابًا غير مرئي يملأ كل شيء حولنا. يتصرف هذا الضباب بغرابة: قيمه تصبح تخيلية. في الفيزياء، الأعداد التخيلية ليست خيالًا بل أداة عمل — مثلما يستخدم المحاسب المبالغ السالبة لتسجيل الديون.

الثقوب السوداء ليست أبدية: إنها تفقد الطاقة ببطء، وتطلق الإنتروبيا — مقياس المعلومات الخفية — على شكل حرارة. تنبأ بهذه العملية ستيفن هوكينغ. لكن ظل لغزاً ما الذي يحدث في النهاية، عندما يختفي الثقب تقريباً ويجب أن يعيد البيانات المحتجزة. الآن أظهر الفيزيائيون: بعد تبخر الكتلة الرئيسية، يتبقى ثقب أبيض صغير.

النجم الذي استنفد وقوده ينهار على نفسه. تتطاير طبقاته الخارجية، بينما ينضغط اللب إلى كثافات لا يمكن تصورها. كان يُعتقد في السابق أن هذه العملية تنتهي بنقطة — التفردية، حيث تنهار قوانين الفيزياء. يُظهر العمل الجديد: قبل النهاية مباشرة، يحدث شيء غريب داخل الثقب الأسود المستقبلي.

مرجل يغلي تظهر بين الحين والآخر فقاعات بخار تتكسر — هكذا كان الكون المبكر. كان الفضاء بأكمله آنذاك مليئًا بحقل في حالة الفراغ الكاذب، مثل ماء سخن فوق نقطة الغليان. كان يكفي ثقب أسود صغير جدًا لتظهر فقاعة من الفراغ الحقيقي: منطقة بفيزياء جديدة قادرة على النمو وابتلاع كل ما حولها. درجة حرارة الثقب الأسود تتناسب عكسيًا مع كتلته: كلما كان الثقب أصغر، كان أكثر سخونة.

قمع عملاق يدور بسرعة هائلة. إذا ألقيت فيه حبلًا، مثبتًا أحد طرفيه عند الحافة والآخر في الخارج، سيبدأ القمع في لف الحبل حول نفسه، مما يجعله يدور. هذا تقريبًا ما يفعله وتر كوني بالقرب من ثقب أسود دوّار. في الدراسة الجديدة، نظر الفيزيائيون إلى وتر يلامس أفق الثقب الأسود ("سطحه" الذي لا يمكن لأي شيء الإفلات منه) ويمتد بعيدًا في الفضاء.

عندما تدور النجوم في أطراف المجرات أسرع مما تتنبأ به الحسابات بناءً على الكتلة المرئية، يستدعي علم الكونيات القياسي فرضية المادة المظلمة الخفية — وهي مادة غير مرئية لا تُظهر نفسها إلا من خلال الجاذبية. يقدم العمل الجديد بديلاً لا يتطلب إدخال جسيمات جديدة.

الصورة المألوفة: الجاذبية دائمًا تجذب. لكن إذا كانت الكتلة في حالة تراكب كمي — أي في نقطتين في آنٍ واحد، مثل جسم في صورة بتعريض مزدوج — ينقلب كل شيء. تسمح النظرية الكمومية للجسيم بأن يكون هنا وهناك حرفيًا: موضعه توصف بدالة موجية موزعة عبر الفضاء. عندما نُظهر هذه الصورة — أي نجري قياسًا لتحديد أين كان الجسم بالفعل — يشعر جسم اختباري بدفعة بعيدًا.

الجاذبية تجذب دائمًا — تسقط التفاحة للأسفل، وتدور الكواكب في مداراتها. لكن بوضع مصدر الجاذبية في مكانين في آنٍ واحد، يمكن تحقيق العكس. اقترح الفيزيائيون تجربة: يُنقل جسم ثقيل إلى حالة كمومية، يُوزَّع في الفضاء كالسحابة. ثم يُطلَق جسيم صغير جدًا في هذه السحابة. في الفيزياء الكلاسيكية، كان الجسيم سينجذب إلى كل من موقعَي الكتلة ويسلك مسارًا متوسطًا.

المادة المظلمة، ربما ليست جسيمات، بل ثقوب سوداء من زمن الانفجار العظيم. في الكون المبكر، الشبيه بعجين يُعجن، كانت كحبوب ثقيلة — لا تكاد تتحرك، جمعت حولها المادة ودوّمتها في تيارات مجرية سريعة، يراها الفلكيون اليوم. لكن هناك فارق بسيط: أخف الثقوب، وفقًا لنظرية هوكينغ، تتبخر وتُصدر طاقة.

يتوسع الكون بسرعة متزايدة، مثل عجينة الخميرة التي ترتفع في مطبخ دافئ. القوة الدافعة وراء هذا التوسع هي الطاقة المظلمة، والتي يمكننا في تشبيهنا أن نتصورها كسكر كوني يغذي العملية.

الصاروخ التقليدي مقيد بـسرعة الضوء: تزداد الكتلة، ويتطلب التسارع طاقة لا نهائية. لكن معادلات أينشتاين تسمح بمناورة التفافية — ليس دفع السفينة عبر الفضاء، بل جعل الفضاء نفسه يتحرك. فكرة محرك الاعوجاج: ضغط المنطقة أمام السفينة وتوسيعها خلفها، مما يُنشئ «فقاعة» تنزلق عبر الكون أسرع من الضوء.

الفورتونات هي أطواق كونية غير مرئية، حلقات مغلقة من الزمكان المنحني. أرق من الذرة لكنها أثقل من النجوم، تدور هذه البقايا من الانفجار العظيم مثل دوامات عملاقة، ملتفة بكل ما حولها. معادلات أينشتاين تصف كيف ترقص الجسيمات قرب هذا الطوق: المسارات إما تلتف في لوالب أو تتحرك بفوضوية.

الثقب الأسود ليس قمعًا بلا قاع، بل قدر كوني. بداخله، تخضع المادة لقوانين مألوفة لنا من سلوك الماء: في ظروف معينة يشبه البخار المغلي، وفي أخرى يشبه سائلًا يبرد. أضاف الفيزيائيون إلى الحسابات 'زنبركًا' وتريًا صغيرًا — تصحيحًا من نظرية الأوتار، يشوه القواعد على أصغر المقاييس.

رصد تلسكوب جيمس ويب في الكون المبكر حشدًا من الأجسام المدمجة التي أُطلق عليها اسم "النقاط الحمراء الصغيرة". إنها حمراء جدًا وخافتة جدًا بحيث لا يمكن أن تكون كوازارات عادية، ويحاول الفيزيائيون الفلكيون فهم ما يغذيها. يقدم ستيفن أدلر إجابة غير متوقعة: هذه ليست ثقوبًا سوداء، بل نجوم غرافاستار، وهي أجسام مدمجة بلا أفق حدث، تنشأ عند تحول طوري للمادة.