هذا هو سرّ الفيزياء النظرية. هل يكمن سرّ الجاذبية الكمومية في هذه الطريقة الجديدة لتكوين الثقوب السوداء؟

ربما تكون الخطوة الأولى نحو الجاذبية الكمية، "الكأس المقدسة في الفيزياء"، مختبئة في وصفة كمية لتكوين ثقوب سوداء.

هذا ما يقترحه بحث جديد يضيف تصحيحات كمية لنظرية أينشتاين للجاذبية عام ١٩١٦، المعروفة باسم "النسبية العامة". للثقوب السوداء أهمية في هذا السياق لأنها نشأت نظريًا أولًا من حلول معادلات أينشتاين للحقل التي تدعم النسبية العامة.

الثقوب السوداء وتلميح إلى الطريق إلى الجاذبية الكمية وتوحيد النظريتين السائدتين في الفيزياء.

فيزياء الكم هي أفضل وصف لما دون الذري، إلا أن هذه النظريات لن تتحد. ذلك لأنه، على الرغم من وجود كليهما منذ قرن تقريبًا، وصقلهما وتأكيدهما مرات عديدة، لا توجد حتى الآن نظرية "الجاذبية الكمومية".

وهذا على الرغم من حقيقة أن الفيزياء الكمومية قادرة على تفسير القوى الثلاث المتبقية من القوى الأساسية الأربع في الكون: القوة الكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة.

ومع ذلك، هناك شيء مشترك بين الفيزياء الكمومية والنسبية العامة؛ إذ لا يمكن لأي منهما تفسير ما يحدث في قلب الثقوب السوداء.

قال كزافييه كالميت، الباحث الرئيسي في البحث وعالم الفيزياء النظرية بجامعة ساسكس، لموقع Space.com: "الثقوب السوداء مناطق في الفضاء تكون فيها الجاذبية قوية لدرجة أن لا شيء، ولا حتى الضوء، يستطيع الإفلات منها. عادةً ما نصفها باستخدام نظرية النسبية العامة، حيث تظهر الثقوب السوداء كحلول لمعادلات أينشتاين". وأضاف: "مع ذلك، توجد نقطة تفرد في مركز الثقوب السوداء تنهار فيها قوانين الفيزياء كما نعرفها".

عند هذه التفردات، تصل كثافة الثقوب السوداء إلى ما لا نهاية. لا يُحبذ الفيزيائيون اللانهائيات لأنها غير مادية بطبيعتها، وعندما تحدث، فإنها تُمثل فشل المعادلات التي تُشكل أساس قوانين الكون.

وهكذا فإن وجود تلك التفردية في قلب الثقوب السوداء يوحي لعلماء الفيزياء بأن نظرية النسبية العامة غير مكتملة، وأن ما قد يكون مفقوداً هو الجاذبية الكمية.

نعتقد أن النسبية العامة لا تنطبق إلا على المقاييس الكبيرة أو "الجسيمية"، ولكن على المسافات القصيرة جدًا، أو المقاييس المجهرية، يجب استبدالها بنظرية كمية للجاذبية توحد معادلات أينشتاين مع فيزياء الكم، كما قال كالميت. وأضاف: "هذا هو الهدف الأسمى للفيزياء النظرية".

هل يوجد "الكأس المقدسة" في قلب الثقوب السوداء؟

يبحث الفيزيائيون منذ فترة عن وصفة للجاذبية الكمومية ونظرية توحيدية. برزت نظرية الأوتار، التي تستبدل الجسيمات بـ"أوتار" دون ذرية مهتزة، كنظرية رائدة تربط بين النسبية العامة وفيزياء الكم، مما أدى إلى ظهور الجاذبية الكمومية.

مع ذلك، لا توجد حاليًا طريقة للتحقق تجريبيًا من هذه النظرية. إضافةً إلى ذلك، تعتمد هذه النظرية على أن للكون أحد عشر بُعدًا على الأقل، ولا يوجد حاليًا أي دليل على وجود أبعاد تتجاوز أبعاد المكان الثلاثة وبُعد الزمن الواحد.

من المثير للدهشة أن عدم وجود نظرية موحدة لم يكن عائقًا لكالمِت وزملائه. كل ما كانوا بحاجة لمعرفته هو أن أي نظرية مقترحة يجب أن تتوافق مع نظرية أينشتاين للجاذبية على المقاييس الكبيرة.

قال كالميت: "مع أننا لا نملك حتى الآن نظريةً للجاذبية الكمومية، فإننا نعلم أنه مهما كانت هذه النظرية، سواءً أكانت نظرية أوتار أم شيئًا مختلفًا تمامًا، فلا بد أن تُطابق النسبية العامة على المقاييس العيانية". وأضاف: "هذه المعلومات كافية عند استخدام الأساليب الحديثة في نظرية المجال الكمومي لإجراء حسابات في الجاذبية الكمومية دون الحاجة إلى المعرفة الكاملة بالنظرية الأساسية للجاذبية الكمومية".

"باستخدام هذه التقنيات، يمكننا حساب التصحيحات لمعادلات أينشتاين التي يجب أن تنطبق على أي نظرية في الجاذبية الكمية."

ما وجده كالميت وزملاؤه هو أنه بالإضافة إلى الثقوب السوداء الناشئة عن حلول معادلات النسبية العامة، لا بد أن تكون هناك أيضًا "حلول كمية" للثقوب السوداء.

يمكننا بناء هذه الحلول تحليليًا بالقرب من أفق الحدث، وهو السطح الخارجي الذي يحتجز الضوء في الثقب الأسود، وبعيدًا عنه، كما أوضح. وأضاف: "من عيوب استخدام نهجنا في الجاذبية الكمومية عدم قدرتنا على بناء حلولنا بالقرب من التفرد، إذ يتطلب ذلك المعرفة الكاملة بالجاذبية الكمومية".

وهذا يعني أن الفريق لا يستطيع تحديد ما إذا كانت وصفتهم الكمومية للثقوب السوداء تؤدي إلى نفس الشكل للثقوب السوداء مثل تلك التي تنشأ من النسبية العامة.

قال كالميت: "مع ذلك، من المهم إثبات وجود حلول جديدة للثقوب السوداء في الجاذبية الكمومية، وهي غير موجودة في النسبية العامة. هذه الحلول الجديدة ليست مجرد تعديلات على الحلول القديمة، بل هي ثقوب سوداء جديدة كليًا موجودة في عالم الجاذبية الكمومية".

وعلى هذا النحو، يعتقد الباحث في جامعة ساسكس أن هذا العمل لا يزال يمثل خطوة نحو فهم كيفية عمل ميكانيكا الكم والجاذبية معًا.

للأسف، حتى كالميت لا يعرف بعدُ كيف يُمكن التمييز بين المُعطيين المُحتملين للثقوب السوداء، النسبية العامة والجاذبية الكمومية. ذلك لأننا لا نستطيع رصد الثقوب السوداء إلا من مسافات بعيدة.

استنتج كالميت: "يمكن وصف الثقوب السوداء الفلكية التي نرصدها بسهولة من خلال حلولنا الجديدة، وليس حلول النسبية العامة. ونظرًا لتطابق النظريتين على مسافات شاسعة، فسيكون من الصعب اقتراح اختبارات قادرة على التمييز بين نوعي الحلول".

وهكذا، على الأقل في الوقت الحالي، ربما تكون أسرار الجاذبية الكمية محمية بشدة بواسطة الثقوب السوداء.

نُشر بحث الفريق في 19 يونيو في مجلة A Letters Journal Exploring the Frontiers of Physics.

تابعونا على أخبار جوجل