هل تختفي المعلومات حقًا؟ الفيزياء لديها إجابة

هذه المقالة جزء من حزمة بالتعاون مع فوربس في كبسولات زمنية وحفظ المعلومات والتواصل مع المستقبل. إقرأ المزيد من التقرير.

أاختفى الآن حوالي 38 بالمائة من مواقع الويب التي كانت موجودة على الإنترنت في عام 2013. نصف صفحات ويكيبيديا تشير إلى روابط ميتة. يبدو أن المعلومات تختفي من حولنا، وهذا ليس بالأمر الجديد. على مدار الزمن الجيولوجي، يعد فقدان المعلومات هو القاعدة وليس الاستثناء.

ومع ذلك، وفقًا للفيزياء، لا يتم تدمير المعلومات أبدًا. من حيث المبدأ، يكون الكتاب المحترق قابلاً للقراءة تمامًا مثل الكتاب الأصلي، إذا قمت بتحليل رماد النار والدخان واللهب لإعادة إنشاء الكلمات المحروقة.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

يقول مبدأ “الوحدة” في ميكانيكا الكم أن الكون قابل للعكس، أي أن ما تم فعله يمكن دائمًا التراجع عنه. إذا كنت تعرف كل شيء عن الكون في الوقت الحاضر، فيجب أن تكون قادرًا على إرجاعه وفهم كل شيء عنه في الماضي والتنبؤ بكل شيء عنه في المستقبل. بمعنى آخر، المعرفة محفوظة دائمًا؛ إن تدمير المعلومات أمر مستحيل، وفقا للقوانين الأساسية للفيزياء.

أم هو كذلك؟ في بعض الأجزاء الخاصة من الكون، مثل داخل الثقوب السوداء، يبدو أن المعلومات تضيع. لقد حيرت هذه المفارقة علماء الفيزياء لمدة نصف قرن، ولكن في السنوات القليلة الماضية اكتشف العلماء طريقًا نحو حلها. يبدو أن المعلومات تجد مخرجًا للهروب. ومع ذلك تبقى أسئلة كثيرة. للإجابة على هذه الأسئلة، سيحتاج العلماء إلى الخوض في واحدة من أكبر المشاكل المفتوحة في الفيزياء: كيف تعمل الجاذبية في عالم الكم؟ ومن خلال دراسة مصير المعلومات، يأمل الفيزيائيون في إيجاد طريق نحو نظرية محققة بالكامل حول الجاذبية الكمية.

تشكل الثقوب السوداء مشكلة بالنسبة للمعلومات لأنها لا تدوم إلى الأبد. فهي تتسرب الجسيمات ببطء شديد في عملية تسمى إشعاع هوكينج، اكتشفها الفيزيائي الراحل ستيفن هوكينج في عام 1974. وفي النهاية، تتبخر تمامًا، ولا تترك شيئًا وراءها. ولكن إذا كان الأمر كذلك، فكيف يمكننا أن نعرف ما وقع فيها؟ يقول الفيزيائي توماس هارتمان من جامعة كورنيل: “يبدو أن المعلومات قد تم تدميرها، ما لم يتم نشرها”.

إن عدم الثبات في حد ذاته لا يشكل مفارقة معلوماتية. أشياء كثيرة في الطبيعة لا تدوم. لكن تلك الأشياء الأخرى المختفية تتحول إلى شيء آخر أو تترك وراءها بقايا يمكن من خلالها لعالم فيزياء مغامر أن يجمع أجزاء وجودها. ومع ذلك، من المعروف أن الثقوب السوداء لا تسمح لأي شيء بالرحيل. جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الهروب من حدودها، والتي تحددها حدود كروية تسمى أفق الحدث. إن جسيمات هوكينج التي تشعها، والتي تستنزفها، لا تنشأ داخل أفق الحدث بل خارجه، ولهذا السبب فهي محصنة. ويمثل إشعاع هوكينج “الطاقة المضغوطة من الفراغ بالقرب من أفق الحدث”، كما كتب الفيزيائي أحمد المهيري في مقالته. العلمية الأمريكية في عام 2022. ولكن هذا أيضًا هو السبب وراء افتراض العلماء أن هذه الجسيمات لا يمكنها حمل معلومات حول الجزء الداخلي للثقب الأسود معها.

لقد أدرك هوكينج المشكلة عندما قام بحساب إنتروبيا الثقب الأسود. الإنتروبيا هي مقياس للفوضى أو عدم اليقين. يقول هرانت غاريبيان، منظّر المعلومات الكمومية، الذي شارك في تأسيس شركة البرمجيات الكمومية BlueQubit: “المعلومات هي معرفة حول نظام ما، ونقص المعلومات هو إنتروبيا”. كلما زادت المعلومات المتوفرة لديك حول نظام ما، انخفضت إنتروبيا النظام. وإذا كنت تريد أن تعرف كل شيء عنه – أي مكان وجود كل جسيم بالضبط – فإن الإنتروبيا ستكون صفرًا. لكن هوكينج وجد أنه في الحالة الكمومية النهائية بعد تبخر الثقب الأسود تمامًا، فإن إنتروبيا الثقب الأسود ليست صفرًا. اه-أوه-لقد اختفت المعلومات.

ومنذ ذلك الحين، يحاول الفيزيائيون حل اللغز. منذ البداية، كانوا يأملون في إيجاد طريقة لجسيمات هوكينج لحمل معلومات الثقب الأسود معهم. يقول عالم الفيزياء إدجار شاغوليان من جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز: “بمجرد أن يتبخر الثقب الأسود تمامًا، كل ما يتبقى هو إشعاع هوكينج، لذلك يجب أن يكون هناك”. ومع ذلك، فإن كيفية تشفير المعلومات في الجسيمات الهاربة لم تكن واضحة.

لقد حقق الفيزيائيون اختراقًا منذ عدة سنوات عندما فكروا في الزمكان نفسه كظاهرة كمومية. مثل الجسيمات أو أي جسم كمي آخر، لن يكون للزمكان الكمي هندسة ثابتة ومحددة، بل سيكون موجودًا كمجموعة من الأشكال الهندسية المختلفة، كل منها له احتمالاته الخاصة. على الرغم من أن الأشكال الأكثر ترجيحًا ستحاكي الصورة الكلاسيكية للثقب الأسود، إلا أن بعض الاحتمالات الخارجية ستبدو مختلفة كثيرًا. وفي بعض الحالات، يمكن أن يشكل الجزء الداخلي من الثقوب السوداء ثقوبًا دودية تتصل بالثقوب السوداء الأخرى. كشفت تحليلات الثقوب الدودية أنه في الواقع توجد منطقة من الزمكان داخل الثقب الأسود تسمى الجزيرة، في بعض النواحي، خارج الثقب تمامًا. ويبدو أن المعلومات تجد طريقًا عبر هذه الثقوب الدودية.

ويعني طريق الهروب هذا، من حيث المبدأ، أن الفيزيائيين يجب أن يكونوا قادرين على العثور على البيانات التي يحتاجونها لإعادة الثقوب السوداء، تمامًا كما يمكنهم عكس أي حدث آخر في الكون. يقول شاغوليان: “عليك أن تفعل شيئًا دقيقًا للغاية للوصول إلى المعلومات، يشبه رماد الرسالة المحروقة ولكنه أسوأ من ذلك”. استخدم العلماء هذه الرؤية لاستنباط صيغة جديدة للأنتروبيا في الثقب الخلفي، وكشفوا أن حالته النهائية هي صفر، كما ينبغي أن يكون الحال إذا تم الالتزام بجميع قوانين الفيزياء.

تخفف هذه الاكتشافات الأخيرة من مفارقة معلومات الثقب الأسود، لكن لا تزال هناك الكثير من التفاصيل التي يتعين العمل عليها. ويقول هارتمان: “لقد أحرزنا الكثير من التقدم في هذا الشأن، ولكن لا تزال هناك أسئلة لم تتم الإجابة عليها”. “أنا لا أسميها حلها.”

الجاذبية الهائلة للثقوب السوداء تضعها ضمن نطاق النظرية النسبية العامة لأينشتاين، التي تنبأت بوجودها لأول مرة. ومع ذلك، فإن حجمها الضئيل يعني أنها يجب أن تطيع أيضًا قواعد ميكانيكا الكم، التي تسيطر على عالم الصغير جدًا. إن تعارض هاتين النظريتين غير المتوافقتين هو سبب ظهور العديد من مشاكل الثقوب السوداء. ولهذا السبب أيضًا قد تشير الثقوب السوداء إلى الطريق نحو المصالحة بينها.

يقول هارتمان: “الثقوب السوداء رائعة بالنسبة لعلماء الفيزياء النظرية”. “الثقب الأسود هو نوع من أبسط وأنظف نظام نظري لدراسة الجاذبية. وخصائص الثقوب السوداء هي نوع من خصائص الزمكان نفسه.”

ويأمل الباحثون في استخدام ألغاز ومفارقات الثقوب السوداء لتوضيح كيفية تناسب النسبية العامة مع فيزياء الكم، وحتى لفهم ما هو الزمكان. حقيقة أن الثقوب السوداء تخزن المعلومات تعني أن الزمكان نفسه يمكنه تخزين المعلومات وربما ذلك الزمكان يكون معلومة. قد يتكون نسيج الكون من وحدات صغيرة ومكممة من المعلومات، والطرق التي ترتبط بها هذه الوحدات مع بعضها البعض – أو تتشابك – قد تحدد شكل المكان والزمان.

وفي كلتا الحالتين، يبدو أن المعلومات آمنة في الكون. في عالم تكون فيه الحياة سريعة الزوال، حيث لا يمكن لأحد ولا شيء أن يدوم إلى الأبد، ولا حتى كوكب الأرض، فإن هذه القاعدة تشعر بالارتياح. سيكون هناك دائمًا سجل لما حدث هنا، مهما كان غامضًا.