شرط الطاقة الصفري

شعاع كشاف يغوص في الظلام، لكن إذا أعدناه ذهنيًا إلى الوراء، فسيصطدم بمصدر الضوء — المصباح. ربما ينطبق الأمر نفسه على تاريخ الكون: عندما نتتبع تمدده إلى الوراء، نصطدم بالبداية. أخذ الفيزيائيون أبسط نموذج — كون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات، مثل مكعب تتزايد أضلاعه في الوقت نفسه.

الكون يتمدد، وهذا التمدد يتسارع. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية - انحناء الزمكان بسبب الأجسام الضخمة - تعمل بشكل مختلف في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم؟ أضاف مؤلفو الدراسة الجديدة حقلاً غير مرئي إلى معادلات أينشتاين، يعترض الطاقة من المادة والإشعاع العاديين.

هيكل الجاذبية غير المرئي يمنع المجرات من التمزق. هذه هي المادة المظلمة — مادة لا تصدر ضوءًا ولا تتفاعل تقريبًا مع المادة العادية إلا عبر الجاذبية. لطالما اختلف علماء الفيزياء الفلكية حول طبيعتها.

النموذج القياسي لعلم الكونيات النموذج القياسي — وهو الإطار النظري الأساسي الذي يصف تطور الكون — يشبه وصفة كعكة حيث كل شيء مقيس بدقة: المادة المظلمة — وهي شكل افتراضي من المادة لا يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية — مثل دقيق خالٍ من التكتلات (ضغطه صفر)، بينما الطاقة المظلمة — وهي المادة الغامضة…

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.

في الفيزياء الكلاسيكية، يوجد قيد أساسي: لا يمكن أن تكون كثافة الطاقة سالبة، ولا يمكن أن يتجاوز تدفقها سرعة الضوء. تخيل مقهى: لا يستطيع النادل توزيع الطلبات أسرع من ركضه هو نفسه. يسمي الفيزيائيون هذا بشرط هيمنة الطاقة (dominant energy condition).

في العالم العادي الخالي من الطاقة المظلمة، تكون كتلة أي جسم موجبة دائمًا. يبدو هذا بديهيًا: الكتلة الموجبة تجذب، مما يخلق الجاذبية. لكن في الكون الحقيقي توجد الطاقة المظلمة — وهي قوة غامضة تجعل الكون يتسارع في توسعه.

النجوم البوزونية هي ذرات جاذبية. لكن بدلاً من الشحنة الكهربائية، تعمل الجاذبية نفسها كنواة تحتجز سحابةً من الحقل القياسي في تكتلات مكممة. في ثلاثينيات القرن الماضي، اشتبه فريتز زفيكي في نقص الكتلة المرئية في عناقيد المجرات، ثم أكدت فيرا روبين لاحقًا هذا الأمر من خلال دوران الحلزونات.

في المحيط، تجذب الدوامة كل شيء إلى دائرة مغلقة — وبالمثل، تلف موجة الجاذبية في الفضاء الفارغ الزمن في حلقة. موجة الجاذبية هي تموج في نسيج الكون، وشكلها الخاص يمكن أن يحول مجرى الأحداث العادي إلى دورة مغلقة. في هذه المنطقة، يمكن لجسم أن يعود إلى ماضيه دون خرق قوانين الفيزياء.

لا يمكن أن يكون الجسم نقطة. على الأقل في جاذبية أينشتاين. تتطلب معادلات النسبية العامة أن يكون مصدر المجال — المادة — موزعًا في الفضاء، وليس مركّزًا في حجم متناهٍ في الصغر. وإلا ظهرت لانهايات في الصيغ، ولا يمكن بناء زمكان أملس.

بناء منزل على الرمال فكرة سيئة. في الفيزياء، اعتُقد لفترة طويلة أن نظرية الجاذبية الكمية لا يمكن بناؤها على «رمال» ثابتة — زمكان محدد مسبقًا. تعلمنا النسبية العامة لأينشتاين أن الزمكان نفسه يتغير تحت تأثير المادة، لذا فإن أي خلفية صلبة هي تبسيط مصطنع.

كرة صغيرة تستقر في حفرة. لن تخرج من تلقاء نفسها — تحتاج إلى دفعة. لكن في العالم الكمومي، يمكن للجسيم أن يتسرب عبر الحاجز دون طاقة إضافية. هذه الحيلة تُسمى النفق الكمومي (quantum tunneling). قد يقوم فراغ الكون بحيلة مماثلة: إذا لم يكن الأكثر استقرارًا (يقول الفيزيائيون «فراغ كاذب»)، فقد ينتقل تلقائيًا يومًا ما إلى حالة أخرى. ستكون العواقب كارثية. تتأثر هذه العملية بشدة بالجاذبية.

الحدود تفرض القواعد الجاذبية الكمومية تشبه مسرحًا حيث الزمكان هو الخشبة والحقول هي الممثلون. عندما يكون للخشبة حافة، يجب أن نعرف بدقة ما يحدث عند الحدود: وإلا فسينهار العرض. في عام 2018، اقترح إدوارد ويتن وصفة أنيقة لهذه الحالة.

عندما يمر الضوء بالقرب من جسم ضخم، يتغير مساره قليلاً — فالجاذبية تجذب حتى الأشعة. في الوضع العادي، تنضغط حزمة الضوء القادمة من نجم بعيد، كما لو كانت تُشد بمطاط غير مرئي. تُعرف هذه الخاصية بشرط تقارب الأشعة (null convergence condition): الجاذبية تجعل مسارات الضوء تتقارب، لا تتباعد. ولكن عندما يتحول الثقب الأسود إلى ثقب أبيض، يحدث شيء غريب.

النظام الكمومي يشبه جزيرة تتعرض تدريجيًا لتآكل المحيط. الأمواج هي تأثير البيئة، وهي تمحو الشواطئ، مما يفقد الجزيرة معالمها الفريدة. معادلة GKLS (غوريني-كوساكوفسكي-ليندبلاد-سودارشان) تصف بالضبط مدى سرعة اختفاء هذه "الكمومية". لكن لكل موجة مصدر طاقة. تعمق مؤلفو الدراسة في الأمر وسألوا: ماذا لو كانت طاقة المحيط لا يمكن أن تنخفض عن مستوى معين؟ اتضح أن التآكل عندها لا يحدث كما تتنبأ المعادلة.

في بداية الكون، عندما كان كل الفضاء منضغطًا في نقطة واحدة، تتوقف قوانين الفيزياء عن العمل. تُسمى هذه النقطة بالتفرد (singularity) — حافة تفقد عندها معادلاتنا معناها. ولكن ماذا لو لم تكن هذه نهاية، بل نوعًا خاصًا من الحدود؟ اقترح مؤلفو العمل النظر إلى التفرد كحد حر. عادةً، عند حل المعادلات، نفرض شروطًا صارمة على الأطراف.

الثقب الأسود ليس مجرد بقعة مظلمة في الفضاء. إنه منطقة تضغط فيها الجاذبية المادة بشدة لدرجة أن الضوء نفسه لا يستطيع الإفلات منها. من بين جميع الثقوب السوداء المحتملة، يبرز واحد: ثقب كير الدوار. اعتُبر وصفه لفترة طويلة مرتبطًا بمعادلات أينشتاين، وكأنه وصفة طبق مرتبطة بكتاب طبخ معين.

ستكون لعبة البلياردو غريبة لو كانت الكرات عديمة الكتلة. فلن تتصادم، بل ستمر عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ العوائق. هذا تقريبًا ما يبدو عليه محاولة تصور الضوء كتيار من الجسيمات الكلاسيكية، أي أجسام صغيرة مرنة تطير في خط مستقيم. البرهان الجديد يضع حدًا لهذه الصورة.

النجم النيوتروني هو بقايا نجم عملاق انفجر، مضغوطة إلى حجم مدينة. ملعقة صغيرة من مادته تزن مليار طن. داخل هذا النجم، الجسيمات متراصة بكثافة بحيث تبدأ التأثيرات الكمومية بالظهور. أحد هذه التأثيرات هو دوران الجسيمات حول نفسها، أو الدوران المغزلي. عادةً، يتم حساب متوسط الدوران المغزلي وتجاهله، لكن مؤلفي الدراسة قرروا النظر في ماذا سيحدث إذا أخذناه على محمل الجد.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، تصرف الفضاء كغشاء مرن. لقد شهد توسعًا انفجاريًا — التضخم، وهو مفهوم طوره آلان غوث وأندريه ليندي.

ملاءة مشدودة تتجعد في ثنيات. إذا جذبت طرفها، ستجري موجة منتظمة، وإذا ضغطت القماش فجأة، ستتشكل ثنية حادة. تقريبًا هكذا تتصرف المكان والزمان في معادلات أينشتاين. الموجات الثقالية تشبه التموجات الناعمة للملاءة، بينما الصدمات تشبه الانثناءات القاسية حيث تتغير خصائص المادة فجأة.

الكون، مثل اللاعبين حول طاولة الورق، يخضع لقواعد صارمة. أحد الشروط الأساسية: الجاذبية دائمًا قوة جذب، والطاقة لا يمكن أن تأخذ قيمًا سالبة.

شريط مطاطي يزداد سُمكًا كلما شددته بقوة أكبر. في الكهرباء، يُسمى هذا السلوك بالسعة السالبة: كلما زادت الشحنة المتراكمة على اللوحين، انخفض الجهد. أما المكثف العادي فيعمل بالعكس — يرتفع الجهد مع ازدياد الشحنة. تبشّر السعة السالبة بتوفير هائل للطاقة في الرقائق الدقيقة، لكن من الصعب الحصول عليها بشكل نقي.

يتوسع الكون بسرعة متزايدة بسبب الطاقة المظلمة الغامضة، التي اكتُشفت في أواخر التسعينيات بواسطة آدم ريس وسول بيرلموتر وبرايان شميدت من خلال المستعرات العظمى. لطالما اعتُقد أن هذه القوة ثابتة، مثل دواسة الوقود المضغوطة باستمرار.

فقاعة الاعوجاج تضغط الزمكان أمام المركبة وتوسعه خلفها — تمامًا كقارب يدفع الماء. المركبة لا تتسارع إلى سرعة الضوء، بل تنزلق داخل الفقاعة. لكن هذا التشوه يتطلب مادة ذات طاقة سالبة — مادة تُقوّس الفضاء بالاتجاه المعاكس للمادة العادية، وكأنها ثقب أسود بالمقلوب.

كرة ثقيلة تستقر على ترامبولين، وتنخفض قطعة القماش تحتها. أي كرة تتدحرج بالقرب منها ستنجذب حتمًا نحو المركز. هكذا تعمل الجاذبية تقريبًا على نطاق الكون بأكمله. ولكن ماذا لو كان القماش مقوسًا إلى الأعلى، مثل القبة؟ عندها ستميل الكرة إلى التدحرج إلى الخارج. هذا الاختلاف البسيط بين التقعر والتحدب كان المفتاح لمسألة ما إذا كان الكون يمكن أن يوجد إلى الأبد دون لحظة ولادة.

منذ زمن بعيد، يحلم الفيزيائيون بأنفاق تخترق الفضاء — الثقوب الدودية، القادرة على ربط أركان الكون البعيدة في لحظات. لكن الرياضيات أصدرت حكمًا قاسيًا: حلق هذا الجسر يجب أن ينتفخ، وهذا يتطلب مادة غريبة ذات ضغط سلبي — تلك المادة 'المضادة للجاذبية' التي تمدد الفضاء بدلًا من تقليصه.

عندما يصطدم نجمان ميتان في مجرة بعيدة، يصلنا خبر هذا الحدث عبر رسولين: ارتجاج في الفضاء — موجة جاذبية — ووميض ضوء. يركض الرسولان إلينا عبر الكون كله، لكن مساريهما قد يختلفان قليلًا. فالضوء أحيانًا يتأخر بسبب الغبار الكوني، بينما تمر موجات الجاذبية عبر كل شيء تقريبًا دون أن تلاحظ العوائق. وجد مؤلفو الدراسة طريقة لمقارنة ما يقوله هذان الرسولان.

يمكن تشبيه قلب النجم النيوتروني بوتر مشدود ذي كثافة فائقة القوة. الصوت الذي يجري عبره هو اهتزازات الضغط، وسرعته $$c_s$$ تكشف عن صلابة المادة. بحث جديد يظهر أن هذا الوتر الكوني لا يطن بنغمة رتيبة. في البداية، يشتد بقوة حتى يصل إلى 70% من سرعة الضوء، ثم يرتخي، ويهدأ ليصل إلى حد المطابقة الكونية الهادئ.

في عام 1965، أطلق بنروز رعدًا رياضيًا على الفيزياء: أي نجم ضخم بما يكفي، ينكمش تحت ثقله، ينهار حتمًا إلى تفرد — منطقة تصبح فيها انحناءة الزمكان لانهائية، وتتوقف فيها قوانين الفيزياء عن العمل.

الفراغ ليس فارغًا كما يبدو. في العالم الكمومي، حتى في الفراغ التام، تولد أزواج من الجسيمات وتختفي باستمرار — مثل تموجات على سطح بركة لا تراها العين لكن يمكن قياسها. إذا وضعت حاجزًا رقيقًا في هذه التموجات، فسيغيّر نمط الموجات.

ثقبان أسودان يدوران حول بعضهما بسرعة متزايدة حتى يندمجا في ثقب واحد. هذا الرقص يهز الفضاء نفسه: تنطلق من موقع الحدث موجات تشبه الدوائر التي تتشكل عند رمي حجر في الماء. أحيانًا، يصاحب الاندماج وميض ضوئي. إذا التقطنا الموجات والوميض معًا، يمكننا قياس المسافة إلى الحدث مرتين — وكأننا نقيس المسافة نفسها بالصوت وبالضوء.

تخيل الزمكان كبركة شاسعة. محرك الالتواء هو قارب يعبرها. بعض القوارب، مثل محرك ألكوبيير الشهير، تحرك الماء في دوامات فوضوية. البعض الآخر، مثل تصميم رودال، ينزلق بسلاسة، بالكاد يترك تموجًا. تعمل محركات الالتواء عن طريق تمديد وضغط الزمكان، تمامًا كما يمكن محاكاة توسع الكون.

تخيل غرفة مكتظة: كل شخص جديد يدخل يزيد الضغط على الجدران. مبدأ مشابه يعمل في النجم النيوتروني — بقايا نجم ضخم فائقة الكثافة، حيث تكون المادة مضغوطة إلى كثافات نووية. زيادة الكثافة تؤدي إلى زيادة المقاومة الداخلية — الضغط، الذي يصفه الفيزيائيون بنسبة الضغط إلى كثافة الطاقة (الكمية φ).

لطالما حيّرت المادة المظلمة العلماء — تلك المادة الغامضة التي لا تكشف عن نفسها إلا عبر الجاذبية — وقد درسها رواد علم الكونيات فريتز زفيكي وفيرا روبين. لفترة طويلة، صُوّرت على أنها إطار بارد وسلبي، لا يفعل شيئًا سوى شدّ المجرات معًا، مثل نحّات غير مرئي يمنح الشبكة الكونية شكلها.

جميع الأجسام في الفراغ تسقط بنفس العجلة — هذا المبدأ، الذي صاغه ألبرت أينشتاين في النظرية النسبية العامة، يشكل أساس فهمنا للجاذبية. ومع ذلك، حتى الآن تم التحقق منه تجريبيًا فقط مع جسيمات المادة العادية.

الثقب الأسود العادي هو مصيدة جاذبية لا يمكن لأي شيء الإفلات منها. ومع ذلك، فإن الثقب الأسود الدوّار، الموصوف بحل كير، مبني بشكل مختلف جوهريًا: في مركزه لا توجد تفردية نقطية، بل حلقة من المادة المضغوطة بلا حدود – تفردية حلقية.