الثقب الدودي

النهر المرسوم على الخريطة هو دائمًا خط واحد. لكن قف على الضفة وسترى: داخل مجرى النهر تيارات أسرع، ودوامات، وفروع تارة تلتقي وتارة تفترق. الشبكة الكونية هي نفس النهر، لكن من المادة المظلمة، وحتى وقت قريب كان علماء الفلك يرسمونها بخط واحد.

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.

كانت الفكرة جميلة: أخذ ثقب أسود BTZ (وهو نظير ثلاثي الأبعاد للـثقب أسود العادي، وهو حل لمعادلات أينشتاين في فضاء بثابت كوني سالب) وتنعيم أفقه بدالة خاصة. عندها، كما تصوّروا، قد تتغير إشارة الزمكان في الداخل — فيصبح الزمن مكانًا والمكان زمنًا. لكن الحسابات أظهرت خلاف ذلك.

الكون ليس مجرد حاوية للأحداث، بل هو ترتيبها الزمني: ما حدث أولاً وما حدث لاحقاً. في هندسة أينشتاين للزمكان، قد ينقطع هذا الجدول الزمني أحياناً. على سبيل المثال، داخل الثقب الأسود — المنطقة التي لا يخرج منها حتى الضوء — تصطدم مسارات الجسيمات بـ التفرد: حافة تفقد عندها معادلات الفيزياء معناها. لطالما عرف علماء الرياضيات كيفية «ترقيع» هذه الثقوب بإضافة نقاط حدودية.

عنق الساعة الرملية هو أضيق مكان، حيث تغيّر حبيبات الرمل اتجاهها. في الجاذبية الكمومية يوجد جسم مشابه: الإنستانتون — حل لحظي لمعادلات المجال يربط حالتين من الفضاء. يعمل كنفق تمر عبره هندسة الكون من شكل إلى آخر، تماماً كما ينتقل الرمل من القارورة العلوية إلى السفلية.

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.

حجر يسقط في ماء هادئ — فتنتشر على السطح حلقات منتظمة. وإذا لم يكن الحجر يسقط فحسب، بل يدور أيضًا، تظهر على السطح دوامات صغيرة. الضوء يفعل الشيء نفسه، لكن بدل الماء يكون المكان والزمان نفسهما. اكتشف الفيزيائيون أن نبضة ضوئية، عندما تصطدم بعائق بسيط، يمكنها أن تلتف بنفسها إلى دوامة في الزمكان.

عادةً ما يخفي الثقب الأسود تفرده تحت أفق الحدث — الحدود غير المرئية التي لا يُفلت من ورائها حتى الضوء. لكن في بعض الأحيان يغيب هذا «الرداء»، ويصبح التفرد — النقطة التي تتوقف عندها الفيزياء المألوفة عن العمل — مكشوفًا لراصد خارجي. تسمى هذه الأجسام تفردات عارية، وهي تسبب الكثير من المتاعب للنظريين.

كل شيء يبدأ بندبةٍ صغيرةٍ — نفقٍ رفيعٍ يصل بين كونَين. في علم الكون الكمومي، كان النقاش منذ زمنٍ طويلٍ حول إمكانية أن يكون كوننا المغلق قد وُلد من «لا شيء» عبر النفق (وهي ظاهرةٌ يتجاوز فيها النظام حاجزًا لا يمكن تخطّيه بالمعايير العادية).

في العالم المصغر، الضوضاء — التقلبات العشوائية — عادةً ما تدمر الحالات الكمومية الهشة، تمامًا كما تكسر تموجات الماء انعكاس الصورة في بركة ماء. ومع ذلك، في بعض الأنظمة، تولد الضوضاء الجماعية المنسقة لتعدد الجسيمات تأثيرًا معاكسًا: ينشأ تدفق أحادي الاتجاه مستقر.

منذ أن اكتشف إدوين هابل تباعد المجرات، يظل قانون التوسع للكون — قانون هابل — حجر الزاوية في علم الكون.

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.

عادةً ما يُتصور الثقب الدودي على أنه نفق في الفضاء، جدرانه مدعومة بشيء غير عادي — مادة ذات طاقة سالبة. مثل الدعامات في منجم تمنع السقف من الانهيار. لكن في هذه الدراسة، استغنى الفيزيائيون عن الدعامات. أخذوا ثلاثة فضاءات فارغة مختلفة (ما يتبقى عند إزالة كل النجوم والكواكب) وأعادوا تشكيل إحداثياتها — كما يعيد الخياط قصّ بدلة دون إضافة قماش جديد.

يشبه الثقب الأسود مرجلًا يغلي ببطء. سطحه يصدر جسيمات، وتسمى هذه العملية إشعاع هوكينغ. كلما كان المرجل أسخن، كلما أفرغ أسرع. ولكن ماذا لو كان المرجل ليس عاديًا، بل ذا قاع مزدوج — قادر على التحول إلى ممر إلى مكان آخر؟ درس الفيزيائيون عائلتين من هذه الثقوب السوداء "الماكرة" التي تصبح تحت ظروف معينة ثقوبًا دودية.

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.

بعض حلول معادلات النسبية العامة لأينشتاين تسمح بوجود خطوط زمانية مغلقة — حلقات في نسيج الزمكان تتيح افتراضيًا السفر إلى الماضي. هناك بنيتان محددتان — هندسة أوري وهندسة أحمد — تتميزان بأنهما لا تحتاجان إلى مادة غريبة ذات طاقة سالبة، مما يجعلهما محط اهتمام الفيزيائيين.

تكون الثقوب السوداء خفيفةً — ناتجةً عن موت النجوم، وفائقة الكتلة — في أنوية المجرات. كان ينقصنا الحلقة الوسيطة. ساعدت في الاكتشاف التدفقات الراديوية السريعة — إشارات كونية تدوم أجزاءً من الألف من الثانية، لكنها تحمل طاقةً تضاهي ما تطلقه الشمس في أيام. يمكن تخيّل هذه التدفقات كصرخاتٍ من أعماق الكون.

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.

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.

عندما يقع ثقب أسود في عدسة التصوير، فإنه يترك في الصورة ظلاماً مثالياً — بئر جذبية يسقط فيها الضوء بلا عودة. أظهرت صور مقراب أفق الحدث ظلالاً لأجسام فائقة الكتلة، وتطابقت تماماً مع تنبؤات النظرية النسبية العامة لـ[ scientist:Albert Einstein]أينشتاين. لكن الصمت لا يضمن غياب الشبيه.

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.

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 يقع ثقب أسود في عدسة التصوير، فإنه يترك في الصورة ظلاماً مثالياً — بئر جذبية يسقط فيها الضوء بلا عودة. أظهرت صور مقراب أفق الحدث ظلالاً لأجسام فائقة الكتلة، وتطابقت تماماً مع تنبؤات النظرية النسبية العامة لـ[ scientist:Albert Einstein]أينشتاين. لكن الصمت لا يضمن غياب الشبيه.

لحاف مرقّع، كل رقعة فيه عبارة عن عقدة كمومية صغيرة تخضع لقواعد رياضية صارمة. أخذ الفيزيائيون العديد من هذه العقد المتطابقة وبدأوا في خياطتها بكل الطرق الممكنة. فنتجت أشكال ثلاثية الأبعاد، من الكرات البسيطة إلى كعكات محيرة بثقوب. هكذا يبدو نموذجهم للجاذبية الكمومية: ليس هندسة واحدة، بل مجموع كل الأشكال الممكنة التي يمكن أن يتخذها الفضاء.

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…

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.

أصبحت ظلال الأجسام فائقة الكتلة في مراكز المجرات – مثل M87 ودرب التبانة – أيقوناتٍ للفيزياء الفلكية الحديثة. لكن ماذا لو كانت هذه الظلال أثرًا ليس للامتصاص بل للعبور؟ تسمح معادلات أينشتاين بوجود ثقوب دودية قابلة للعبور – أنفاق في نسيج الزمكان.

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.

أصبحت ظلال الأجسام فائقة الكتلة في مراكز المجرات – مثل M87 ودرب التبانة – أيقوناتٍ للفيزياء الفلكية الحديثة. لكن ماذا لو كانت هذه الظلال أثرًا ليس للامتصاص بل للعبور؟ تسمح معادلات أينشتاين بوجود ثقوب دودية قابلة للعبور – أنفاق في نسيج الزمكان.

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.

«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.

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.