كيف يمكن لبلورات الزمكان أن تنهار لتشكل ثقوبًا سوداء صغيرة؟

الحق على حافة الهاوية الثقب الأسود عند تشكل الزمكان، يمكن أن يصبح غريبًا تمامًا.

هذا هو المكان الذي يمكن أن تصبح فيه الفيزياء المألوفة غريبة إلى حد مثير للأعصاب، وفهم كيفية حدوث العمليات الكونية غالبًا ما يتطلب المزيد من الرياضيات الباطنية والحلول الإبداعية.

الآن، وصف الفيزيائيون رياضيًا، لأول مرة، شذوذًا في هندسة الزمكان عند عتبة تكوين الثقب الأسود.

هنا، يمكن لانحناء الزمكان نفسه أن ينتظم في حالة متكررة منظمة للغاية تذكرنا بما يسمى “بلورات الوقت،” غَرِيب حالات المادة التي تكرر الأنماط الذرية عبر الزمن.

وهذا هو المكان الذي تصبح فيه الأمور أكثر رعبًا. مع دفعة صغيرة من الطاقة، يمكن لهذه الأنماط الشبيهة بالبلورات من الزمكان أن تنهار إلى مجهرية الثقوب السوداء.

“في بعض الأحيان، يكون سبب صغير يبدو غير مهم كافيًا لإحداث تغيير هائل ومثير”. يقول الفيزيائي دانييل جروميلر من جامعة فيينا التقنية في النمسا.

“خذ الماء السائل عند درجة الصفر المئوي، على سبيل المثال. تغيير بسيط جدًا يكفي لجعل الماء يتجمد. ثم ترتب جزيئات الماء نفسها تلقائيًا في نمط منتظم وتشكل بلورة ثلجية.”

في معظم أنحاء الكون، تتصرف الفيزياء بشكل جميل. من مدارات الكواكب إلى تصادم المجرات، نظرية أينشتاين النسبية العامة يصف الجاذبية بدقة ملحوظة.

ولكن عند عتبة تشكل الثقب الأسود – المعروف بالانهيار الحرج – تصبح الجاذبية شديدة للغاية لدرجة أن معادلات أينشتاين قد تم تقديمها كل ذلك ولكن من المستحيل حلها تحليليامما أجبر الفيزيائيين على الاعتماد بشكل كبير على عمليات المحاكاة الحاسوبية.

تصف هذه العتبة نظامًا دقيقًا حيث تكون الجاذبية على حافة تكوين الثقب الأسود. يمكن أن تسير في أي من الاتجاهين: تتبدد بهدوء، أو تنهار تمامًا في ثقب أسود.

في عام 1993، عالم الفيزياء النظرية ماثيو تشوبتويك حققت تقدما كبيرا.

باستخدام المحاكاة الحاسوبية، اكتشف تشوبتويك أن الحالة الحرجة عند عتبة تكوين الثقب الأسود تُظهر ما يُعرف بالتشابه الذاتي المنفصل: أنماط متكررة يتردد صداها عبر الزمكان عبر نطاقات أصغر فأصغر.

“إن بلورة الزمكان هذه هي جسم غريب ورائع للغاية” يقول جروميلر.

“إنها نوع من الحالة المتوسطة، وهي نقطة غير مستقرة يمكن أن تتطور في اتجاهين مختلفين. وقد تذوب ببساطة مرة أخرى، تاركة وراءها الزمكان العادي المليء بالجزيئات المتحركة بحرية.

“ولكن إذا تمت إضافة كمية صغيرة من الطاقة، فإن التطور يأخذ مسارًا مختلفًا تمامًا: تتحول بلورة الزمكان غير الواضحة إلى ثقب أسود”.

في العقود الثلاثة التي تلت عمل تشوبتويك الرائد، لم يتمكن الفيزيائيون من دراسة بلورات الزمكان هذه إلا حسابيًا؛ وبسبب صعوبة حل معادلات أينشتاين عند عتبة الانهيار الحرج، لم يقم أحد بتطوير الرياضيات لوصفها.

وجد جروميلر وزملاؤه أن الحيلة تكمن في التفكير خارج الأبعاد الأربعة القياسية نسبيًا للزمكان التقليدي.

في عالمنا، للزمكان ثلاثة أبعاد مكانية وأبعاد زمنية واحدة. ومع ذلك، من الناحية الرياضية، يمكن كتابة النسبية العامة لأي عدد من الأبعاد.

لقد تعامل الباحثون مع المشكلة بالعقلية التالية: ماذا لو تخيلنا الكون بعدد أكبر بكثير من الأبعاد؟

“إن كوننا له أربعة أبعاد – ثلاثة أبعاد للمكان وبُعد واحد للزمن” يقول الفيزيائي كريستيان إيكر معهد الفيزياء النظرية بجامعة جوته فرانكفورت بألمانيا.

“ولكن من حيث المبدأ، لا شيء يمنعنا من كتابة المعادلات الفيزيائية لعدد أكبر من الأبعاد – خمسة أبعاد، أو اثنين وأربعين بعدًا، أو حتى عددًا لا نهائيًا.”

قد يبدو الأمر غريبًا، لكن التظاهر بأن الكون يحتوي على أعداد هائلة من الأبعاد هو أمر ممكن في الواقع تسهيل حل معادلات أينشتاين – تصبح الجاذبية أقل اتساعًا وأكثر تركيزًا محليًا بالقرب من منطقة الانهيار.

من خلال تخيل كون يتكون من مئات الأبعاد، تمكن الباحثون من استخلاص صيغ تحليلية تصف في الواقع الهياكل المتكررة الشبيهة بالفركتلات في انحناء الزمكان والتي تظهر تلقائيًا أثناء انهيار الثقب الأسود.

لم تنجح المعادلات في الأكوان عالية الأبعاد بشكل سخيف أيضًا.

ووجد الباحثون أن نفس الهياكل الرياضية مستمرة حتى في أبعاد أقل بكثير، مما يشير إلى أن هذه الحالات الشبيهة بالبلورات الغريبة قد تعكس شيئًا أساسيًا حول الجاذبية نفسها.

متعلق ب: اكتشف العلماء بلورة زمنية تكشف عن طريقة جديدة لتنظيم الوقت

قد يحتوي الكون أو لا يحتوي على مئات الأبعاد المخفية. ولكن من خلال تخيل ذلك، يمكن للعلماء الحصول على نظرة ثاقبة لأضرار الجاذبية التي تتكشف في الأنظمة المتطرفة والتي سيكون من الصعب للغاية فهمها.

“تبين أن تقنيتنا مستقرة بشكل ملحوظ. واعتمادًا على الدقة المطلوبة، يمكننا تحسين صيغنا بشكل منهجي باستخدام طرق تقريبية إضافية.” يقول الفيزيائي فلوريان إيكر من الجامعة التقنية في فيينا.

“وهذا يمنحنا طريقة جديدة لدراسة الظواهر المرتبطة بالثقب الأسود والتي لم يكن من الممكن تحليلها في السابق تحليليًا.”

وقد تم نشر النتائج في رسائل المراجعة البدنية.