قد تكون تفرد الثقب الأسود سطحًا ثلاثي الأبعاد حيث ستموت النسبية العامة: ScienceAlert

ما يكمن وراء أ الثقب الأسودأفق الحدث هو لغزا.

إنها الحدود التي تحدد المسافة التي لا يستطيع الضوء عندها الهروب من الثقب الأسود، مما يتركنا نسعى جاهدين للحصول على إجابات حول الشكل الفعلي للثقب الأسود دون وسيلة لرؤية ما بداخله.

ومن أجل التبسيط، تصف الكتب المدرسية عادة التفرد المخفي وراء أفق الحدث كنقطة ذات بعد صفري ذات كثافة لا نهائية.

وفقا لورقة جديدة من المقرر نشرها في المراجعة البدنية د، ربما يكون هذا التبسيط قد اتخذ خطوة أبعد من اللازم.

بدلًا من ذلك، يرى الفيزيائيان النظريان أندرو جي إس هاملتون من جامعة كولورادو بولدر وتايلر ماكماكين من جامعة ماري أن التفرد يمكن فهمه بشكل أفضل باعتباره سطحًا مسطحًا ثلاثي الأبعاد.

“أنا أمزح لطلابي ذلك الثقوب السوداء قال هاميلتون لـ ScienceAlert: “إنني أتحدى دائمًا حدسي”.

“نعم، لقد كانت مفاجأة. وفي الوقت نفسه، كان المظهر المسطح لتفرد شوارزشيلد منطقيًا.”

داخل الثقب الأسود، يسقط الفضاء بسرعة أكبر من الضوء باتجاه المتفردة. وبحلول ثلاثينيات القرن العشرين، كان الفيزيائيون قد تصوروا هذا التفرد كنقطة.

ثم، في الستينيات، بدأت الصورة تتغير. في ثقب كير الأسود – التي تدور – وجد الفيزيائيون أن حركة السقوط نحو المتفردة تتباطأ بسبب التنافر الطارد المركزي، والنتيجة النهائية هي أن المتفردة ليست نقطة، ولكن حلقة.

بالنسبة لثقب شوارزشيلد الأسود – وهو ثقب لا يدور – ظلت نقطة التفرد نقطة. إنه سهل الرسم، وسهل التدريس، وسهل الفهم نسبيًا، لذلك استمر النموذج.

ومع ذلك، حتى منذ عقود مضت، بدأ هاميلتون في تطوير فكرة غير مريحة مفادها أن هذه النقطة كانت تمثيلًا سيئًا لفيزياء ثقب شوارزشيلد الأسود.

“الجاذبية الكمية هي السؤال المركزي في الفيزياء النظرية، والأسطح الفردية للثقوب السوداء هي المكان الذي تحدث فيه الجاذبية الكمية في كوننا.” – الفيزيائي النظري أندرو جي إس هاميلتون

كان ذلك في عام 1998، وقد دفعه فضول طلاب هاملتون في فصل تمهيدي لعلم الفلك إلى بناء تصورات النسبية العامة لما قد يكون عليه الأمر عند الوقوع في الثقب الأسود.

ما خرج كان… سطحًا.

وقال: “لقد نقلت ما رأيته، لكنني لم أحاول تفسيره، لأنني لم أفهمه”.

“الدلائل تشير إلى أننا ترددنا نعم. لقد استغرقت رحلة التفاهم عقودا”.

أدرك هاميلتون أن الإجابة تكمن في متابعة اثنين من المراقبين أثناء سقوطهما في نفس الثقب الأسود من اتجاهين متعاكسين.

وكان السؤال بسيطا: أين سينتهي بهم الأمر؟

إذا كان التفرد نقطة، فيجب أن ينتهي الأمر بالراصدين في نفس الموقع.

ولكن وفقا ل النسبية العامةأظهر هاميلتون وماكماكين أن هذا لا يمكن أن يحدث أبدًا.

أثناء سقوط المراقبين، يمنع الزمكان الملتوي للثقب الأسود الضوء – أو أي إشارة أخرى – من الانتقال بينهما. ويصبحان منفصلين سببيًا بشكل دائم، مما يعني أنه لا يمكن لأي منهما التأثير أو حتى معرفة اللحظات الأخيرة للآخر.

يجادل هاملتون وماكماكين بأنه إذا لم يعد بإمكان المراقبين تبادل المعلومات قبل الوصول إلى نقطة التفرد، فلن يتمكنوا في النهاية من الالتقاء في نفس الحدث الزمكاني.

ويختفي التناقض إذا كانت المتفردة عبارة عن سطح فضائي ثلاثي الأبعاد يصل إليه كل راصد في موقع مختلف.

أو كما هاميلتون ضعه في عام 2010: “”التفرد” ليس نقطة. بل هو حد مكاني ثلاثي الأبعاد حيث تنتحر النسبية العامة.”

لا ينطبق هذا العمل على ثقوب شوارزشيلد السوداء فقط. لطالما اعتُبرت التفردات الحلقية لثقوب كير السوداء مختلفة جذريًا عن نقاط شوارزشيلد، لكن ربما لا يكون الاثنان مختلفين تمامًا على كل حال.

بدلًا من ذلك، يرى المؤلفون أن ثقب كير الأسود الواقعي سوف ينهار إلى سطح مفرد يشبه الفضاء في أفقه الداخلي، مما يجعل تفرده أشبه بتفرد ثقب شوارزشيلد الأسود مما توحي به الصورة المألوفة في الكتب المدرسية.

وهذا يعني أن هذا العمل يمكن أن يعيد تشكيل كيفية تفكير الفيزيائيين في المتفردات انطلاقًا من المبادئ الأساسية.

إذا كانت تفرد شوارزشيلد عبارة عن سطح وليس نقطة، فإن ذلك يغير الإطار الرياضي الذي تنهار فيه النسبية العامة، وبالتالي نقطة البداية لأي نظرية مستقبلية للجاذبية الكمية.

وأوضح هاميلتون: “إن الجاذبية الكمية هي السؤال المركزي في الفيزياء النظرية، والأسطح الفردية للثقوب السوداء هي المكان الذي تحدث فيه الجاذبية الكمية في كوننا”.

“معظم الأدبيات المتعلقة بالجاذبية الكمية مجردة ومنفصلة عن الواقع. ونود أن نرى المجتمع يتطور في اتجاهات أكثر واقعية.”

متعلق ب: تقول النظرية الجذرية إن الثقوب السوداء قد تنفث المادة والوقت كثقوب بيضاء

الجاذبية الكمومية هي النظرية التي طال انتظارها والتي من شأنها أن توحد النسبية العامة لأينشتاين، التي تصف الجاذبية على المقاييس الكونية، مع ميكانيكا الكم، التي تحكم عالم الكم على المقاييس الذرية ودون الذرية.

تعمل كلتا النظريتين بشكل جيد للغاية بمفردهما، لكنهما تصبحان غير متوافقتين رياضيًا في ظل الظروف القاسية داخل الثقب الأسود.

وقال هاملتون: “إن الهدف النبيل للفيزياء النظرية الحديثة هو نظرية الجاذبية الكمومية القابلة للتطبيق. ولم يتم التوصل إلى ذلك بعد”.

“أملنا هو أن نتمكن من إحراز تقدم من خلال استكشاف الأماكن التي على وشك الحدوث فيها الجاذبية الكمومية.”

تم قبول البحث للنشر في المراجعة البدنية د.