ثقب دودي قابل للعبور

الدوامة في المادة المغناطيسية تشبه الدوامة المائية، لكن بدلاً من الماء، تلتف اتجاهات المغنطة. الإلكترون الذي يمر عبر هذه الدوامة لا يشعر بمجرد مجال مغناطيسي، بل بانحناء في الفضاء: مساره ينحني كما لو كان يتدحرج عبر قمع ذي عنق ضيق. هذا العنق هو نظير "ثقب دودي": نصف قطره تحدده شحنة الدوامة وقوة التفاعل التبادلي، وعلى المسافات الصغيرة يُقتطع القمع بنواة الدوامة.

الثقب الأسود ليس مكنسة كهربائية أبدية. إذا أحطناه بسائل غير مثالي (مادة ذات احتكاك داخلي)، تبدأ الهندسة في عيش حياتها الخاصة. أظهر مؤلفو المقالة أن تدفقًا هندسيًا خاصًا — شبه سوليتون ريتشي-يامابي من نوع η — يعمل كنحات غير مرئي. إنه يعيد تشكيل الزمكان المنحني حول ثقب أسود ثابت ومتناظر كرويًا. هذا التدفق ليس عشوائيًا.

صفيحتان معدنيتان في الفراغ تتجاذبان دون أي مغناطيس أو شحنات. هذه هي ظاهرة كازيمير: الفراغ ليس فارغًا، ففيه تولد الجسيمات وتختفي باستمرار، وبين الصفيحتين يكون عددها أقل من خارجهما. الفرق في الضغط يدفع الصفيحتين نحو بعضهما.

الثقب الدودي هو نفق يربط بين منطقتين بعيدتين في الكون. إذا وُجد مثل هذا الثقب وكان قابلاً للعبور، فإن الجسيم بداخله سيشعر ليس فقط بالجاذبية، بل أيضًا بقوة من مجاله الكهربائي الذاتي. تعتمد هذه القوة على كيفية انحناء الزمكان حوله.

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.

الثقوب الدودية هي أنفاق افتراضية عبر الزمكان المنحني، يسمح بها نظرية النسبية العامة لأينشتاين. لكي لا ينهار هذا النفق فورًا، يحتاج إلى مادة غريبة ذات ضغط سالب — مادة لا تجذب بل تدفع.

يشبه الثقب الدودي نفقًا ذا عنق ضيق جدًا. إذا أرسلنا إشارة صوتية في مثل هذا النفق، فسيعود جزء من الصدى، بينما يعلق جزء آخر في المنتصف — ويخرج ببطء شديد. هذا هو بالضبط سلوك الجسيمات القياسية (أبسط نوع من الجسيمات بدون لف مغزلي) في حسابات ثقب دودي رباعي الأبعاد قابل للعبور. مباشرة بعد إرسال الإشارة، ينعكس معظمها أو يعلق في العنق، ولا يعبر سوى جزء صغير.

في عام ٢٠١٩، أحدثت صورة ظل M87* ضجة كبيرة: فلأول مرة ترى البشرية معالم ثقب أسود الذي تنبأ به شفارتزشيلد وأحاطته الأساطير.

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.

لكل نظام كمومي — سواء كان ذرة أو بلورة أو الكون بأسره — مجموعة مسموحة من الطاقات، تشبه درجات سلم. كلما زادت حرارة النظام، زاد ميل الجسيمات لتسلق الدرجات العليا. ابتكر الفيزيائيون طريقة لمقارنة هذين «السلمين» من نظريتين مختلفتين: فقد أدخلوا مسافة بولتزمان-فاسرشتاين — رقمًا يُظهر مدى اختلاف الأطياف الطاقية لعالمين.

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.

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.

يُخطط لإرسال مسبار بحثي إلى أقرب ثقب أسود — منطقة في الزمكان ذات جاذبية لا تطلق حتى الضوء. مئة عام من الطيران، ثم يدخل المسبار في مدار حول الجسم الغامض ليجيب على السؤال الجوهري: ما الذي أمامنا — ثقب أسود أم نجم نيوتروني — بقايا نجم ضخم فائقة الكثافة، مضغوطة حتى كثافات نووية؟ الثقب الأسود لا سطح له — مجرد هاوية جاذبية لا قاع لها، بينما للنجم النيوتروني قشرة صلبة من مادة…

أول ما يتبادر إلى الذهن عند التفكير في ولادة الكون هو الانفجار. لكن علم الكونيات الحديث يرسم صورة أكثر أناقة: ولادة عبر عنق الزجاجة. هذه الهندسة ليست خيالاً، بل شكل دقيق لـثقب دودي إقليدي يربط بين عالمين مضادين لدي سيتر.

لطالما بحث علم الكون عن منفذ خلف الانفجار العظيم. التضخم، الذي اقترحه آلان غوث، يمدد وينعم التباينات الأولية، لكن ما الذي أشعل الفتيل نفسه؟ حتى وقت قريب، تذبذب الفيزيائيون بين نقيضين: إما أن يخرج الكون الوليد من الزبد الفائر للفضاء الأزلي عبر ثقب دودي، أو ينشأ من 'لا شيء' الصرف - بوساطة إنستانتون…

أينشتاين وروزين تخيلا جسراً يربط بين صفحتين من الواقع. أطلق عليه ويلر اسم ثقب دودي، وأثبت ثورن وموريس أن النفق قابل للعبور إذا مُلئ بمادة غريبة. نعلم اليوم أن الدوران، وهو صفة تكاد تكون ملازمة للأجسام المدمجة، يحول الثقب الدودي إلى أداة كونية.

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.

«الثقب الدودي» — كلمة أهداها للفيزياء جون أرشيبالد ويلر في عام 1957 — لا تزال تثير الخيال. إنه نفق افتراضي في الزمكان المنحني، يربط بين مناطق بعيدة من الكون أو حتى بين أكوان مختلفة.

يمكن ثقب ورقة مطوية بقلم رصاص، فيصبح المسار بين نقطتين أقصر. هكذا تعمل فكرة الثقب الدودي تقريبًا: نفق في الفضاء يربط مناطق بعيدة. لكن الجاذبية تميل إلى انهيار مثل هذا النفق ما لم يُمسك بشيء ذي ضغط سالب — مثل بالون منفوخ من الداخل يمنع الجدران من الالتصاق.

قطرة كريمة تسقط في فنجان قهوة — وبعد دقيقة يصبح المشروب كله بلون البيج. يمكن قياس عملية الخلط هذه: ما مقدار "التحريك" المطلوب لتحويل توزيع جسيمات إلى آخر؟ في الرياضيات، يُسمى هذا الأسلوب النقل الأمثل (optimal transport)، ومقياس الجهد المبذول هو مسافة فاسرشتاين (Wasserstein distance). طبق مؤلفو الدراسة هذه الفكرة على الأنظمة الكمومية.

اكتشف الفيزيائيون: لفتح ثقب دودي، يجب هزّه بقوة. ليس بالمعنى الحرفي — لكن على شريحة كمومية، قاموا بمحاكاة نظام من 8 جسيمات، شديد الفوضى والتشابك لدرجة أنه تحول إلى صورة ثلاثية الأبعاد مهتزة لـثقب أسود.

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.

ثقبان أسودان غير دوارين ثقب أسود — منطقتان من الزمكان بجاذبية قوية لدرجة أن لا شيء، بما في ذلك الضوء، يمكنه مغادرتهما — عند لحظة الاندماج يولدان موجات ثقالية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه، تلتقطها أجهزة طورت بمشاركة كيب ثورن.

القناة الأيونية في غشاء الخلية هي بوابة بعرض عدة ذرات. تمر عبرها كل ثانية ملايين الجسيمات المشحونة — أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. قالت الفيزياء الكلاسيكية: لكي يعبر الأيون، عليه أن يقفز فوق حاجز الطاقة، مثل مسافر يضطر لتسلق ممر جبلي مرتفع. لكن الحسابات أظهرت أن القنوات تسمح بمرور أيونات أكثر بكثير مما ينبغي في حالة هذا القفز.

يتجول جسيم في وسط مليء بالعوائق. أحيانًا يدفعها أمامه مثل كاسحة الثلوج، وكان يُعتقد أن هذا الدفع هو ما يوقف الحركة في النهاية. لكن في الفضاء ثلاثي الأبعاد، لا تعمل هذه الآلية. اتضح أن التوقف يحدث بسبب أحداث نادرة: من وقت لآخر، يجد الجسيم نفسه محاصرًا بالصدفة، وتُغلق جميع المخارج أمامه، وكأن الأبواب تُصفق.

باب عادي يمكن فتحه في كلا الاتجاهين، لكن الفيزيائيين صنعوا للذرات باباً يُسمح بالدخول منه ولا يُسمح بالخروج. تم تبريد الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق - في هذا البرد القارس تندمج في سحابة واحدة. وُضعت هذه السحابة في شبكة منتظمة من أشعة الليزر، مع إضافة نتوء صغير، مثل عتبة عند المدخل. بسبب التدافع المتبادل، تبدأ الذرات بالتدفق تلقائياً في اتجاه واحد فقط.

الثقب الدودي — نفق افتراضي في الزمكان يربط مناطق بعيدة من الكون. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الظل الذي يلقيه مثل هذا الجسم على خلفية الغاز المتراكم الساطع يجب أن يكون دائرياً تماماً، مثل ظل الثقب الأسود. ومع ذلك، بالنسبة لـثقب دودي دوّار — قابل للعبور، على عكس «عنق» الثقب الأسود العادي — قد يصبح شكل الظل غير متوقع: تكتسب حافته أسناناً، تشبه صورة ظلية لترس.

الثقب الأسود الثقب الأسود المعتاد هو منطقة في الزمكان تكون فيها الجاذبية شديدة لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الإفلات منها. ومع ذلك، اكتشف الفيزيائيون آلية يمكنها تحويل هذه الحفرة اللا قعر لها إلى نفق نافذ — ثقب دودي.

الثقب الأسود الذي يكاد يتوقف عن ابتلاع المادة يشبه غلاية تغلي: من الخارج كل شيء هادئ، ولكن في الداخل تعتمل عمليات غير مرئية. وقد أطل الفيزيائيون على هذا العالم الحدودي حيث لم يعد المكان والزمان يخضعان للقواعد المألوفة. لقد وصفوا كل ما يحدث عند الأفق ذاته — ذلك الحد غير المرئي الذي لا يعود من ورائه حتى الضوء. واتضح أن هنا صوتين: أحدهما مسؤول عن تذبذبات شكل الأفق، والآخر عن شحنته الكهربائية.

يتصرف الصوت في صفيحة رقيقة مثل تموجات على سطح الماء: ينتشر، وينعكس عن الحواف، ويغير شكله. لكن للصوت غرابة واحدة — فهو يستطيع المرور عبر أماكن يُمنع فيها وجود الموجة. هذا يشبه ما لو أن تموجات على بركة اختفت فجأة أمام حاجز حجري وظهرت من الجانب الآخر دون أن تلتف حوله. أخذ العلماء صفيحة متغيرة السماكة — تتناقص تدريجيًا مثل الإسفين.

في المواد غير المنتظمة — مثل أشباه الموصلات العضوية أو الأحبار المصنوعة من مواد ثنائية الأبعاد — لا تتحرك الإلكترونات بسلاسة مثل الماء في الأنبوب. بل تقفز من مكان إلى آخر، مثل كرة ترتد على سطح غير مستوٍ. يُسمى هذا النوع من الحركة بالنقل القفزي (hopping transport).

الزمن طريق ذو اتجاه واحد: الأحداث تندفع إلى الأمام دون إمكانية للعودة. سهم الاتجاه هذا تتحكم فيه الإنتروبيا — مقياس الفوضى، التي تزداد فقط في الكون، مثل ازدحام المرور في ساعة الذروة. يمكنك إخلاء تقاطع واحد، لكن الازدحام الكلي سيزداد كثافةً.

لغتان رياضيتان تبدوان غير متوافقتين تصفان واقعًا كموميًا واحدًا. الأولى هي لغة المشي الكمومي: هنا يقوم جسيم (مثل إلكترون أو حتى شبه جسيم في وسط مكثف) بجولة على رسم بياني، مستكشفًا في الوقت نفسه جميع المسارات الممكنة — تمامًا كما لو أن أحد المارة في مدينة غير مألوفة يجد نفسه فجأة في جميع التقاطعات في آن واحد.

قطرتا ماء تهتزان بتناغم - لأنهما متصلتان بقشة. هكذا الجسيمات المتشابكة: ربما يقوم اتحادها على ثقب دودي مجهري. خوان مالداسينا وليونارد ساسكيند أطلقا على هذا التخمين اسم ER=EPR: جسور أينشتاين-روزن (ER) تساوي مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزن (EPR).

في عالمنا المألوف، هناك ثلاثة أبعاد مكانية. ومع ذلك، تسمح الفيزياء النظرية بوجود اتجاهات إضافية مخفية عن الملاحظة المباشرة — أبعاد مدمجة (compactified)، أي مطوية إلى أحجام مجهرية.

الثقب الدودي هو نفق يخترق الفضاء المنحني ويربط مناطق بعيدة من الكون. مؤخراً، اقترح خوان مالداسينا وزملاؤه نموذجاً عاملاً لهذا الثقب يعتمد على مزيج خاص من انحناء الفضاء والجسيمات الكمومية. قرر الفيزيائيون معرفة ما قد يسمعه المراقب إذا أرسل إشارة إلى هذا النفق.

الشلال لا يسألك إن كنت مستعدًا للقفز. يتسارع تدفقه، وفي لحظة ما، حتى الضوء لا يستطيع الإفلات عائدًا. ثقب ماكفيتي الأسود هو شلال من هذا القبيل، لكن ليس في نهر عادي، بل في كون يتمدد: الماء هنا هو الفضاء نفسه، الذي يتمدد باستمرار، حاملًا المجرات بعيدًا عن بعضها. لفترة طويلة، بقي غير واضح ما إذا كان يمكن السقوط في هذا الثقب أصلًا.

الثقب الأسود ليس مجرد سلة مهملات في الكون، بل هو أقرب إلى خزنة برمز سري. لعقود، كان يُعتقد أن أي إشارة تُرسل نحو أفق الحدث تنعكس جزئيًا إلى الخلف: فالزمكان المنحني يعمل كمرآة مشوهة، وجزء من الطاقة يعود دائمًا. بدا الامتصاص الكامل مستحيلًا بسبب الحاجز الطارد المركزي (centrifugal barrier) الذي يصد الموجة، مثل باب دوّار يصد زائرًا غير حذر.