تم نشر هذه المقالة أصلا في المحادثة. ساهم المنشور بالمقال في موقع Space.com أصوات الخبراء: افتتاحية ورؤى.
الثقوب الدودية غالبًا ما يتم تصورها على أنها أنفاق عبر المكان أو الزمن، وهي اختصارات عبر الكون. لكن هذه الصورة ترتكز على سوء فهم لعمل الفيزيائيين ألبرت أينشتاين وناثان روزين.
في عام 1935، أثناء دراسة سلوك الجسيمات في مناطق الجاذبية الشديدة، أينشتاين وروزن قدم ما أسموه “الجسر”: رابط رياضي بين نسختين متماثلتين تمامًا الزمكان. لم يكن المقصود منه أن يكون ممرًا للسفر، بل كوسيلة إلى ذلك الحفاظ على الاتساق بين الجاذبية وفيزياء الكم. وفي وقت لاحق فقط، أصبحت جسور أينشتاين-روزين مرتبطة بالثقوب الدودية، على الرغم من عدم ارتباطها بالفكرة الأصلية.
ولكن في بحث جديدلقد أوضحت أنا وزملائي أن جسر أينشتاين-روزين الأصلي يشير إلى شيء أكثر غرابة، وأكثر جوهرية، من الثقب الدودي.
اللغز الذي كان أينشتاين وروزن يعالجانه لم يكن يتعلق أبدًا بالسفر إلى الفضاء، بل يتعلق بكيفية تصرف الحقول الكمومية في الزمكان المنحني. وبتفسيره بهذه الطريقة، يعمل جسر أينشتاين-روزن كمرآة في الزمكان: اتصال بين سهمين مجهريين للزمن.
ميكانيكا الكم تحكم الطبيعة على أصغر المقاييس مثل الجسيمات، في حين أن أينشتاين النظرية النسبية العامة ينطبق على الجاذبية والزمكان. ويظل التوفيق بين الاثنين أحد أعمق التحديات التي تواجه الفيزياء. ومن المثير أن إعادة تفسيرنا قد توفر طريقًا للقيام بذلك.
إرث يساء فهمه
ظهر تفسير “الثقب الدودي” بعد عقود من عمل أينشتاين وروزن، عندما تكهن الفيزيائيون بالعبور من أحد جانبي الزمكان إلى الجانب الآخر، وعلى الأخص في أبحاث أواخر الثمانينات.
لكن تلك التحليلات نفسها أوضحت أيضًا مدى تخمينية الفكرة: فمثل هذه الرحلة محظورة في النسبية العامة. ينكسر الجسر بسرعة أكبر من قدرة الضوء على اجتيازه، مما يجعله غير قابل للعبور. وبالتالي، فإن جسور أينشتاين-روزن غير مستقرة وغير قابلة للرصد، فهي هياكل رياضية، وليست بوابات.
ومع ذلك، ازدهرت استعارة الثقب الدودي في الثقافة الشعبية والفيزياء النظرية التأملية. فكرة ذلك الثقوب السوداء قد تربط مناطق بعيدة من الكون، أو حتى تعمل كذلك آلات الزمن – ألهمت عددًا لا يحصى من الأوراق والكتب والأفلام.
ومع ذلك، لا يوجد دليل رصدي على الثقوب الدودية العيانية، ولا أي سبب نظري مقنع لتوقع وجودها ضمن نظرية أينشتاين. في حين أن الامتدادات التأملية للفيزياء – مثل أشكال غريبة من المادة أو تعديلات النسبية العامة – تم اقتراحها لدعم مثل هذه الهياكل، إلا أنها تظل غير مختبرة وتخمينية إلى حد كبير.
سهمان للوقت
يعيد عملنا الأخير النظر في لغز جسر أينشتاين-روزين باستخدام تفسير كمي حديث للوقت، بناءً على الأفكار التي طورها سرافان كومار وجواو مارتو.
معظم القوانين الأساسية للفيزياء لا تفرق بين الماضي والمستقبل، أو بين اليسار واليمين. فإذا انعكس الزمان أو المكان في معادلاتهما، تظل القوانين سارية. إن أخذ هذه التماثلات على محمل الجد يؤدي إلى تفسير مختلف لجسر أينشتاين-روزين.
بدلًا من أن يكون نفقًا عبر الفضاء، يمكن فهمه على أنه مكونان متكاملان للحالة الكمومية. في الأول، يتدفق الوقت إلى الأمام؛ وفي الآخر، يتدفق إلى الخلف من موضعه المنعكس في المرآة.
هذا التناظر ليس تفضيلا فلسفيا. بمجرد استبعاد اللانهائيات، يجب أن يظل التطور الكمي كاملاً وقابلاً للعكس على المستوى المجهري – حتى في وجود الجاذبية.
يعبر “الجسر” عن حقيقة أن كلا المكونين الزمنيين ضروريان لوصف نظام فيزيائي كامل. في المواقف العادية، يتجاهل الفيزيائيون العنصر المعكوس بالزمن عن طريق اختيار سهم واحد للوقت.
لكن بالقرب من الثقوب السوداء، أو في الأكوان المتوسعة والمنهارة، يجب تضمين كلا الاتجاهين للحصول على وصف كمي متسق. وهنا تنشأ جسور أينشتاين-روزين بشكل طبيعي.
حل مفارقة المعلومات
على المستوى المجهري، يسمح الجسر بمرور المعلومات عبر ما يبدو لنا ككائن أفق الحدث – نقطة اللاعودة. المعلومات لا تختفي. فهو يستمر في التطور، ولكن على طول الاتجاه الزمني المعاكس.
يقدم هذا الإطار حلاً طبيعيًا لمفارقة معلومات الثقب الأسود الشهيرة. في عام 1974، ستيفن هوكينج أظهر أن الثقوب السوداء تشع حرارة ويمكن أن تتبخر في نهاية المطاف، مما يؤدي على ما يبدو إلى محو جميع المعلومات حول ما سقط فيها، وهو ما يتعارض مع المبدأ الكمي القائل بأن التطور يجب أن يحافظ على المعلومات.
لا تنشأ المفارقة إلا إذا أصررنا على وصف الآفاق باستخدام سهم زمني واحد أحادي الجانب، مُستقرًا إلى ما لا نهاية، وهو افتراض لا تتطلبه ميكانيكا الكم نفسها.
إذا كان الوصف الكمي الكامل يشمل كلا الاتجاهين الزمنيين، فلن يضيع شيء حقًا. تترك المعلومات اتجاهنا الزمني وتعاود الظهور على طول الاتجاه المعكوس. ويتم الحفاظ على الاكتمال والسببية، دون اللجوء إلى فيزياء جديدة غريبة.
يصعب فهم هذه الأفكار لأننا كائنات مجهرية نختبر اتجاهًا واحدًا فقط للزمن. على المقاييس اليومية، يميل الاضطراب – أو الإنتروبيا – إلى الزيادة. تتطور الحالة شديدة التنظيم بشكل طبيعي إلى حالة مضطربة، وليس العكس أبدًا. وهذا يعطينا سهم الوقت.
لكن ميكانيكا الكم تسمح بسلوك أكثر دقة. ومن المثير للاهتمام أن الأدلة على هذه البنية المخفية قد تكون موجودة بالفعل. الخلفية الكونية الميكروية – الشفق الانفجار العظيم — يُظهر عدم تناسق صغير ولكنه مستمر: تفضيل اتجاه مكاني واحد على صورته المعكوسة.
لقد حيرت هذه الحالة الشاذة علماء الكونيات لمدة عقدين من الزمن. النماذج القياسية تعطيه احتمالية منخفضة للغاية، ما لم يتم تضمين المكونات الكمومية المرآة.
أصداء الكون السابق؟
ترتبط هذه الصورة بشكل طبيعي باحتمال أعمق. ما نسميه “الانفجار الكبير” ربما لم يكن البداية المطلقة، بل ارتدادًا – انتقالًا كميًا بين مرحلتين معكوستين زمنيًا من التطور الكوني.
في مثل هذا السيناريو، يمكن للثقوب السوداء أن تكون بمثابة جسور ليس فقط بين اتجاهات الزمن، ولكن بين العصور الكونية المختلفة. كوننا قد يكون الجزء الداخلي من الثقب الأسود تشكلت في الكون الأم الآخر. من الممكن أن يكون هذا قد تشكل عندما انهارت منطقة مغلقة من الزمكان، ثم ارتدت وبدأت في التوسع مثل الكون الذي نلاحظه اليوم.
إذا كانت هذه الصورة صحيحة، فإنها توفر أيضًا طريقة للملاحظات لاتخاذ القرار. يمكن للآثار من مرحلة ما قبل الارتداد – مثل الثقوب السوداء الأصغر حجمًا – أن تنجو من المرحلة الانتقالية وتعاود الظهور في كوننا المتوسع. بعض المواد غير المرئية التي ننسبها إلى المادة المظلمة يمكن في الواقع أن تكون مصنوعة من مثل هذه الآثار.
ومن وجهة النظر هذه، تطور الانفجار الكبير من ظروف انكماش سابقة. الثقوب الدودية ليست ضرورية: فالجسر مؤقت، وليس مكاني، ويصبح الانفجار الكبير بوابة، وليس بداية.
إن إعادة التفسير هذه لجسور أينشتاين-روزين لا تقدم أي طرق مختصرة عبر المجرات، ولا سفر عبر الزمن، ولا ثقوب دودية أو ثقوب من الخيال العلمي. مسافة زائدة. ما يقدمه هو أعمق بكثير. إنه يقدم صورة كمومية متسقة للجاذبية، حيث يجسد الزمكان التوازن بين الاتجاهين المتقابلين للزمن، وحيث ربما كان لكوننا تاريخ قبل الانفجار الكبير.
إنه لا يطيح بنسبية أينشتاين أو فيزياء الكم، بل يكملهما. قد لا تأخذنا الثورة القادمة في الفيزياء بسرعة أكبر من سرعة الضوء، لكنها قد تكشف أن الزمن، في أعماق العالم المجهري وفي الكون النطاط، يتدفق في الاتجاهين.
التعليقات