هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق
”
عندما اشتُقّت الثقوب السوداء لأول مرة ضمن سياق النسبية العامة، كان يُعتقد أنها حالة نهائية مطلقة لا رجعة فيها لكائن منهار تمامًا. وبصرف النظر عن امتلاكها للكتلة والشحنة الكهربائية والزخم الزاوي، فلن تهمّ أي خصائص أخرى، وطالما لم يتفاعل شيء آخر مع الثقب الأسود، فستستمر تلك الخصائص – وستستمر دون تغيير – إلى الأبد.
لكن كل ذلك تغير، عندما بدأ الناس في معاملة الكون على أنه كميّ في طبيعته: مع حقول كمية (مثل المجال الكهرومغناطيسي) تتخلل كل الفضاء. وهذا يشمل حتى الفضاء المحيط بثقب أسود، وستؤدي التأثيرات الكمية في الزمكان المنحني للغاية إلى انبعاث تدريجي للإشعاع الذي يحمل الآن اسم الشخص الذي تنبأ به: إشعاع هوكينج. وعلى مدى فترات زمنية طويلة بما فيه الكفاية، ستتبخر حتى الثقوب السوداء الأكثر ضخامة في النهاية.
أشارت دراسة جديدة رائعة في العام الماضي، [[LINK24]]إلى أن إشعاع هوكينغ قد لا يقتصر على الثقوب السوداء فقط، بل يُنتج أيضًا من جميع الكتل التي تُعوِّج الفضاء بكمية كافية. هل لا يزال يُعتقد أن هذا صحيح؟ هذا ما يريد كلوس كاسترن معرفته، حيث يسأل:
“هل يمكننا الحصول على تحديث لمفهوم إشعاع هوكينغ الذي لا ينبع فقط من أفق الحدث للثقب الأسود، وأن الأجسام الضخمة الأخرى ستنتجه أيضًا؟ أجد الفكرة مقلقة أن جميع الأجسام الضخمة ستفعل ذلك (مما يتسبب في تبخرها النهائي؟) دون أن نفهم كيف ستتحلل الجسيمات التي تتكون منها. كيف ستبدو كرة بولينج تطفو أبديًا في فضاء لانهائي بمجرد أن يُشع نصف كتلتها عبر إشعاع هوكينغ؟”
أوه، إنها مقلقة بالتأكيد، والإجابة على جميع أسئلتك هي: “ما زلنا لسنا متأكدين”. دعونا نستكشف هذا الموضوع وننظر في السبب.
يشكل إشعاع هوكينغ ظاهرةً آسرةً. فهو ينشأ من اندماج ظاهرتين من مجالي الفيزياء المختلفين تمامًا. أولًا، في النسبية العامة، لدينا حقيقة أن الفضاء، على مستوى أساسي، يتمتع بخصائص مضادة للبديهة للغاية.
- فهو ليس ثابتًا، بل ديناميكيًا، حيث تتغير خصائصه مع وجود الأجسام المحتوية على الطاقة (بما في ذلك الكتل) داخلها وحركتها خلالها.
- وليست خصائصه عالمية، حيث يرى مراقب افتراضي تغير خصائص الفضاء اعتمادًا على موقعه.
- وهو ليس مطلقًا، حيث إن حركتك عبر الفضاء تغير خاصية الفضاء التي تدركها.
إذا ابتعدت بما فيه الكفاية عن ثقب أسود هائل للغاية، سيبدو الفضاء لا يميز عن الفضاء المسطح الفارغ؛ سيتصرف بالطريقة التي يتصرف بها فراغنا الفارغ المألوف في منطقة يكون فيها الانحناء بسبب المادة والطاقة ضئيلاً.
ولكن إذا كنت قريبًا جدًا من أفق الحدث للثقب الأسود، فإن الفضاء لا يبدو متطابقًا مع الفضاء المسطح. وبدلاً من ذلك، فإن انحناء الفضاء سيُغيّر مسارك، حتى لو كنت في حركة منتظمة، ليتبع انحناء الفضاء الذي يُحدثه الثقب الأسود. ولا يزال بإمكانك أن تجد نفسك في حالة سقوط حر، بالطبع، ولكن المسار الذي تسلكه لن يكون خطًا مستقيمًا بعد الآن. وبدلاً من ذلك، ستلاحظ أن حركتك تتبع مسارًا منحنيًا، وذلك بسبب جاذبية الثقب الأسود.
الآن، نصل إلى الجزء الثاني: حقيقة أن الفضاء ممتلئ بالمجالات الكمومية. بالنسبة لأي مراقب في إطار مرجعي بالقصور الذاتي الخاص به (أي، في حالة السقوط الحر، بدون دفع خارجي أو قوة تؤثر عليه)، فإنه سيختبر الفراغ الكمومي بنفس الطريقة التي نختبرها بها: حيث يمكنك استخراج أشياء مثل الجسيمات أو الإشعاع من مجال خارجي قوي بما فيه الكفاية، أو حيث يمكنك ملاحظة تأثيرات دقيقة تدل على وجوده مثل تأثير كازيمير أو انزياح لامب. سواء كنت في حالة سقوط حر قريب جدًا من ثقب أسود أو بعيدًا جدًا عنه، ستلاحظ نفس التأثيرات بنفس المقادير. طالما أنك في إطار مرجعي بالقصور الذاتي، فلا يوجد فرق بين كونك قريبًا من ثقب أسود أو بعيدًا عنه.
لكن هنا يصبح الأمر معقدًا ومثيرًا للاهتمام في آنٍ واحد. فقد يرى مراقب قريب من ثقب أسود أن فراغه الكمي يتصرف بشكل مطابق لكيفية تصرف فراغ كمي لمراقب بعيد عن ثقب أسود، ولكن إذا سألت أيًا من المراقبين عن الفراغ الكمي عند موقع المراقب الآخر، فسوف يخبرك بأنه يرى فراغًا مختلفًا في ذلك الموقع الآخر. هذا أحد الجوانب الرائعة لدمج النسبية العامة (مع خلفية فضائها المنحنية) مع نظرية المجال الكمي (التي تصف الحقول الكمية): إن هذين التأثيرين معًا يُرياننا أن الفراغ الكمي يختلف بين أي منطقتين تختلف فيهما انحناء الفضاء من منطقة إلى أخرى.
في عام 1974، أصبح هوكينغ أول شخص يجمع هذه الحقائق معًا: أن الحقول الكمية في منطقة من الزمكان منحنية للغاية (بالقرب من ثقب أسود) والتي لا يمكن تمييزها عن المسطحة (بعيدًا عن ثقب أسود) تؤدي إلى نوع خاص من الإشعاع. التسارع هو التسارع، وقد تم اكتشافه أيضًا في نفس الوقت تقريبًا أن أي تسارع منتظم عبر الفضاء سينتج “حمامًا من الإشعاع” للمراقب، مع اعتماد درجة حرارة وطاقة الإشعاع على مقدار التسارع.
لكن هذا يرتبط بالإدراك الرئيسي الذي قاد أينشتاين إلى النسبية العامة في المقام الأول: مبدأ التكافؤ!
كان آينشتاين قد اكتشف بالفعل نظرية النسبية الخاصة، مُحدِّداً أن سرعة الضوء هي الثابتة لجميع الراصدين، وليس تصوراتهم للزمان والمكان. ومع ذلك، أدرك أن نظريته لا تتضمن الجاذبية، بل الحركة فقط. ولكن بما أن الجاذبية ظاهرة حقيقية في كوننا، بدأ آينشتاين يفكر في الجاذبية كشكل من أشكال التسارع. وقد سأل نفسه، كفرضية، ما الفرق بين راصدين كان كل منهما في غرفة مغلقة بدون نوافذ، حيث كان أحدهما ثابتًا على سطح الأرض والآخر يتسارع للأعلى، بسبب نوع من الدفع، بنفس المقدار الذي تُسَرِّع به جاذبية الأرض الأجسام على سطحها.
أدرك أينشتاين بسرعة أنه بالنسبة للراصد من الداخل، لا يوجد فرق. وقد أشار لاحقًا إلى هذا على أنه أسعد أفكاره، مشيرًا إلى أنه أثار حماسه لدرجة أنه لم ينم قيد أنملة في الليالي الثلاث التالية. وقد مهد هذا المبدأ، المعروف بمبدأ التكافؤ لأينشتاين، الطريق للنسبية العامة. وفي وقت لاحق، سيكون له أهمية خاصة لظاهرة إشعاع هوكينج، فإذا كان الراصد المتسارع في الفضاء الفارغ يختبر حمامًا من الإشعاع المنتظم، فإن الراصد الذي يتسارع بسبب قربه من ثقب أسود يجب أن يختبر أيضًا حمامًا من الإشعاع المنتظم. علاوة على ذلك، كلما اقتربت من أفق الحدث للثقب الأسود، زاد تسارعك، وبالتالي، زادت طاقة الإشعاع الذي ستختبره.
تدبر ما يعنيه هذا.
- بعيدًا عن أفق الحدث للثقب الأسود، لا يوجد تسارع عمليًا، وبالتالي لا يوجد إشعاع طاقي عمليًا.
- عندما تبدأ في الاقتراب من أفق الحدث للثقب الأسود، يزداد تسارعك، وبالتالي تبدأ في رؤية إشعاع أكثر وفرة وأعلى طاقة.
- وعندما تكون على وشك الوصول إلى أفق الحدث، يزداد تسارعك أكثر، وبالتالي يصل الإشعاع إلى ذروته من حيث التدفق والطاقة.
تمامًا كما يزداد انحناء الفضاء، يزداد تسارعك نحو المنطقة المركزية للثقب الأسود. وبجانب ذلك، تزداد كمية الإشعاع في تلك المنطقة من الفضاء أيضًا.
هناك عدة أمور مهمة يجب ملاحظتها حول هذه الصورة التي نُنشئها في أذهاننا. أولاً، لا يوجد ذكر لـ تشبيه “أزواج الجسيمات والجسيمات المضادة” الذي استخدمه هوكينغ غالبًا، لأن هذا التشبيه الخاطئ غير ذي صلة بإنتاج الإشعاع. ثانيًا، فإن إشعاع هوكينغ الذي يتم إنتاجه لا يقتصر على منطقة أفق الحدث فقط، بل يجب أن ينبعث من أي منطقة في الفضاء لها انحناء مكاني كافٍ، أو التي تُحدث تسارعًا قويًا بما فيه الكفاية. وثالثًا، كما لاحظ آينشتاين أنه لا يمكن التمييز بين وجودك في غرفة بدون نوافذ تتسارع بسبب الدفع مقابل غرفة تتسارع بسبب الجاذبية، فلا ينبغي أن يكون هناك فرق أيضًا بين الفضاء الخارجي للثقب الأسود والفضاء على نفس المسافة من أي جسم آخر ذي كتلة مكافئة.
الجزء الأخير قد يبدو غير بديهي للكثيرين، لكنه صحيح!
إذا كنتَ على بُعدٍ مُعيّن من كتلةٍ (التي قد تكون لها شحنةٌ و/أو زخمٌ زاويٌّ أيضاً)، فإنّ هذه الكتلةَ قد تكون:
- نقطةً (مثلَ ثقبٍ أسود)،
- جِسماً مُدمَجاً جدّاً ولكن غير منهار (مثلَ نجمٍ نيوترونيّ)،
- جِسماً أقلّ إِدمَاجاً (مثلَ قزمٍ أبيض)،
- أو جِسماً غير مُدمَج (مثلَ نجمٍ)،
وسَتَختَبِرُ نفسَ التّسارعِ في ذلك المكان، بنفس الانحناء المكانيّ. طالما أنّ كُتَلَ هذه الأجسامِ المُختلِفة مُتَطابِقةٌ وبُعدُك عن مركزِ تلك الكتلة مُتَطابِقٌ (وليسَ أنتَ بداخل أيّ جزءٍ من الجسم نفسه)، فلا ينبغي أن تُختَبِرَ أيّ فرقٍ مُمكِنِ التّمييزِ بينَ هذه السّيناريوهات.
هذا ما جعل دراسة عام 2023 هذه [[LINK38]]مثيرة للاهتمام للغاية: فقد زعم مؤلفوها أنه إذا كانت الثقوب السوداء تنتج إشعاع هوكينغ، فيجب أن تفعل ذلك أيضًا النجوم النيوترونية، والأقزام البيضاء، والنجوم العادية، وأي جسم آخر. وقد جادَلوا بأن الدور الوحيد لأفق الحدث نفسه – والذي لا يوجد إلا في الثقوب السوداء ولا يوجد في أي جسم آخر – هو العمل كحد فاصل بين المكان الذي يمكن فيه التقاط الإشعاع والمكان الذي يهرب منه هذا الإشعاع. يُشكل أفق الحدث الحد الفاصل للثقب الأسود؛ و سطح النجم النيوتروني هو الحد الفاصل للنجم النيوتروني؛ والطبقة الخارجية من القزم الأبيض هي الحد الفاصل للقزم الأبيض؛ ونهاية الغلاف الضوئي للنجم هي الحد الفاصل للنجم.
في جميع الحالات، كما جادل المؤلفون، لا يزال هناك إشعاعٌ طاقيٌّ ينتج عن الزمان المكان المنحني حول الكتلة. وتعتمد نسبة هذا الإشعاع الذي يهرب من جسمٍ ضخم، مُنبعثًا إلى الكون الأكبر على شكل إشعاع هوكينغ، فقط على كتلة الجسم ونصف قطره، دون أن يكون هناك شيءٌ ملحوظٌ مميزٌ حول حدود أفق الحدث على وجه الخصوص.
تمامًا كما يسمح تأثير شونغر بإنتاج جسيمات حقيقية تحمل طاقة حقيقية من منطقةٍ في الفضاء تمتلك مجالًا كهربائيًا قويًا بما فيه الكفاية، فإن التأثير الجاذبي لإشعاع هوكينغ حول ثقب أسود يجب أن يُمكّن من إنتاج إشعاع حقيقي، مع توقف كمية الإشعاع الذي يهرب فقط على قوة المجال الجاذبي عبر المناطق ذات الصلة من الفضاء.
إنها مجموعة رائعة من الأفكار التي تؤدي إلى نتائج رائعة، إذا كانت صحيحة. وكما أظهر الفريق نفسه من المؤلفين في ورقة بحثية لاحقة في أكتوبر 2024، إذا كان انحناء الزمكان وحده (وليس وجود أفق الحدث) هو كل ما هو مطلوب لإنتاج إشعاع هوكينغ الحقيقي الحامل للطاقة، فإن البقايا النجمية المضغوطة مثل النجوم النيوترونية والأقزام البيضاء ستتحلل في النهاية. ويرتبط مقياس الزمن لتحلل الجسم (t) بكثافة الكتلة (ρ) بالعلاقة t ~ ρ-(3/2)، مما يعني أن الأقزام البيضاء تتطلب مقياس زمن أطول بكثير للتحلل من الثقوب السوداء، ولكن النجم النيوتروني، الذي يكون سطحه الخارجي أكبر قليلاً فقط من أفق حدث ثقب أسود ذي كتلة متساوية، له عمر أقصى يبلغ حوالي 1068 سنة: وهو ما يقارب أعمار الثقوب السوداء الأقل كتلة.
يؤدي هذا، محتملًا، إلى عواقب وخيمة على جميع الأجسام في الكون: من الكوني إلى الكمّي. في جداول زمنية مماثلة، ينبغي أن تتحلل الثقوب السوداء الأقل كتلة، والنجوم النيوترونية النموذجية، وحتى البروتون نفسه: حوالي ~1067 سنة. أما الأقزام البيضاء فستعيش لفترة أطول: حوالي ~1080 سنة، بينما سيستغرق قمر الأرض (أصغر من معظم الأقزام البيضاء ولكنه أقل كثافة بكثير) حوالي ~1090 سنة. أما الثقوب السوداء فائقة الكتلة الأثقل فتحتاج إلى حوالي ~10103 سنة، لكن شيئًا منتفخًا ومتناثرًا، مثل سحابة غاز بينجمية، أو ما هو أسوأ من ذلك، هالة من المادة المظلمة، سيستغرق جداول زمنية أطول: بين 10120 و 10140 سنة.
ومع ذلك، هناك تساؤلات أساسية عميقة حول ضرورة وجود أفق لإصدار الإشعاع. فمن ناحية، إذا كان الجسم يشع ولكنه يفتقر إلى أفق، فمن أين تأتي طاقة الإشعاع؟ في النسبية العامة، يُطلب منك أن تكون قادرًا على تتبع خطوط العالم لكل جسيم ليس فقط للأمام في الزمن من لحظة ما، ولكن للخلف أيضًا. بالنسبة للثقب الأسود، هذا يؤدي إلى كل الإشعاع الخارج – حتى الإشعاع البعيد عن أفق الحدث – إلى أفق الحدث في مرحلة ما. وبالنسبة لجسم عديم الأفق، فهذا يعني أن الطاقة يجب أن تأتي من مصدر آخر: المجال الجاذبي أو من جسيمات مركبة (مثل البروتونات) داخل الجسم. وبمجرد استنفاد الطاقة القابلة للاستخراج من المجال الجاذبي، فإن هذا يعتمد على أمور مثل “تحلل البروتون” الذي يكون ممكنًا بالفعل داخل كوننا، وهو أمر لم يتم إثباته أبدًا.
عندما يكون للشيء سطح صلب، تلتقي الهندسة (الانحناء المكاني) مع المصدر (حافة الشيء)، وتكون للطاقة حد أدنى منتهٍ. إن وجود أفق الحدث، وتحديداً حقيقة أن الثقب الأسود له داخل، هو ما يزيل هذا الحد الأدنى المحدود. وهذا يثير تساؤلاً حول ما إذا كان هذا الاضمحلال سيحدث بالفعل بدون مثل هذا الأفق. وقد لاحظ آخرون أنه بدون أفق – أو على الأقل، أفق ظاهر – ينبغي أن تُعبّر التأثيرات بشكل أسّي. و فقط لأن المؤلفين يعتبرون أن الإشعاع ينبعث من قياسي عديم الكتلة (سهل الحساب، ولكنه ليس من بين الجسيمات المعروفة في النموذج القياسي) يتم تجنب هذا الكبت الأسي.
ليست هذه الحجج بالضرورة عقباتٍ حاسمة، فربما يكون المؤلفون على صوابٍ في النهاية. فإن اعتبار جسيم قياسي عديم الكتلة قد لا يكون مُشكِلًا، نظرًا لأن الجسيمات الحقيقية فيزيائيًا التي تُشكّل غالبية إشعاع هوكينغ هي الفوتونات والغرافيتونات: جسيمات عديمة الكتلة (غير قياسية) في حد ذاتها، والتي قد تتصرف تمامًا كما يفعل الجسيم القياسي عديم الكتلة. وتعتمد الطريقة التي يُعتقد بها أن الثقوب السوداء تخف وزنها على فيزياء تحدث تحت أفق الحدث؛ فهل يمكن للكتل العادية بدون آفاق أن تفعل شيئًا مكافئًا؟ هذا سؤالٌ لم يُجَب عليه؛ وهو سؤالٌ يتطلب مزيدًا من العمل، لأن الإجابات غير معروفة للجميع في هذه المرحلة.
ومع ذلك، تظل الحجج من كلا جانبي القضية مُقنعة، وسيتطلب الأمر قدراً كبيراً من العمل في المستقبل لتحديد ما إذا كانت عملية تبخر الأجسام غير السوداء تحدث بالفعل. ولعل أصعب مهمة مرتبطة بهذا المسعى تتضمن معرفة ما إذا كان اضمحلال البروتون يمكن أن يحدث فعلاً؛ فمع وجود ما يقارب 1058 بروتونًا فقط في نظامنا الشمسي بأكمله، سيستغرق الأمر مليارات السنين من المراقبة المستمرة لكل واحد منها فقط للحصول على فرصة لإمساك حدث اضمحلال واحد مشتبه به. إن إشعاع هوكينغ أمر مؤكد بالنسبة للثقوب السوداء، لكن يجب أن نضع الآن في اعتبارنا بقوة إمكانية أن تطبق آثاره على جميع الأجسام الضخمة المحتملة. ما مدى عمق هذا الاعتبار؟ إن الاستقرار النهائي لكل شيء تقريباً في الكون معلق في الميزان.
أرسل أسئلتك إلى إيثان إلى startswithabang at gmail dot com!
هذا القسم الأخير من مقال أطول.
المحتوى: “
اشترك في نشرة Starts With a Bang
سافر عبر الكون مع الدكتور إيثان سيجل بينما يجيب على أهم الأسئلة على الإطلاق