يسمح ثقب دودي جديد للمعلومات بالهروب من الثقوب السوداء

طرح الفيزيائيون النظرية القائلة بأن نوعًا جديدًا من الثقوب السوداء "القابلة للمرور" يمكن أن يحل مفارقة معقدة ويحفظ المعلومات التي دخلت في الثقوب السوداء

في عام 1985 ، عندما كتب كارل ساجان روايته "اتصل" ، كان بحاجة إلى نقل بطله بسرعة الدكتورة إيلي أرواي من الأرض إلى النجم فيغا. لقد نجح حتى سقطت في حفرة سوداء وخرجت منها بضع سنوات ضوئية ، لكنه لم يفهم ما إذا كانت مثل هذه المؤامرة منطقية. تشاور عالم الفيزياء الفلكية بجامعة كورنيل ومقدم البرامج التلفزيونية الشهير مع صديقه كيب ثورن ، خبير الثقب الأسود في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (فاز مؤخراً بجائزة نوبل ). عرف Thorne أن Arroway لا يمكنه الوصول إلى Vega بمساعدة ثقب أسود ، يُعتقد أنه يمسك ويدمر كل ما يدخل إليه . لكنه أدرك أنها يمكن أن تستخدم نوعًا مختلفًا من الثقب الذي لا يتعارض مع نظرية النسبية العامة لأينشتاين: نفق ، أو ثقب دودي ، يربط الأماكن النائية في الزمكان.

أبسط الثقوب النظرية تنهار على الفور وتختفي قبل أن يمر أي شيء من خلالها. لكن ثورن تساءل عما إذا كانت حضارة الخيال العلمي "المتقدمة بشكل لا نهائي" قادرة على تثبيت الثقب الدودي لفترة كافية لشيء أو شخص يمر عبره. كان يعتقد أن مثل هذه الحضارة يمكن أن تفتح نفقًا بـ "مادة غريبة" تقاوم الانهيار. يجب أن تحتوي المادة على طاقة سلبية تطرد الإشعاع والمكان. استخدم ساجان هذه الحيلة في "الاتصال" ، وعزا اختراع مادة غريبة إلى حضارة ضائعة سابقة ، حتى لا تدخل في التفاصيل. وفي الوقت نفسه ، تم التقاط هذه التفاصيل نفسها من قبل ثورن وطلابه والعديد من الفيزيائيين الآخرين الذين أمضوا سنوات في دراسة الثقوب السوداء القابلة للتطبيق وتطبيقاتهم النظرية. ووجدوا أن BHs هذه يمكن أن تعمل كآلات زمنية وتسبب مفارقات السفر عبر الزمن - وهذا دليل على أن الطبيعة تحظر وجود مواد غريبة.

اليوم ، بعد عقود ، ظهرت أنواع جديدة من BHs القابلة للتمرير والتي لا تتطلب مواد غريبة وقد تكون قادرة على مساعدة الفيزيائيين في الكشف عن مفارقة BH المعقدة. كانت هذه المفارقة هي التي حالت دون تطوير المسودة المبكرة للكونتاكت وقادت ثورن إلى التفكير في الثقوب السوداء القابلة للتمرير - أي أن كل ما يقع في الثقب الأسود يختفي دون أن يترك أثرا. إن المحو الكامل للمعلومات ينتهك قواعد ميكانيكا الكم ويقود الخبراء إلى هذه الصعوبة لدرجة أنه في السنوات القليلة الماضية ، بدأ البعض في الادعاء بأن الثقب الأسود لا يحتوي على أي أحشاء على الإطلاق - ينتهي الزمان والمكان بطرق غريبة في آفاقهم.

بدأت سلسلة من الاكتشافات في عام 2016 مع العمل على الإبلاغ عن أول ثقب دودي قابل للتمرير والذي لم يتطلب إضافة مواد غريبة من أجل البقاء مفتوحًا. وفقًا لـ Ping Gao و Daniel Jafferis من جامعة Harvard و Aaron Wall of Stanford ، يمكن توليد الطاقة السلبية البغيضة في رحم الثقب خارجيًا عن طريق رابطة كمومية خاصة بين زوج من الثقوب السوداء التي تشكل مداخل الثقبين. إذا كان BHs متصلان بشكل صحيح ، فإن شيئًا ما يتم إلقاءه في أحدهما سيطير بسرعة عبر الثقب الدودي ، وبعد أحداث معينة في الكون الخارجي ، سيقفز من الثانية. ومن المثير للاهتمام أن Gao و Jafferis و Wall أشاروا إلى أن نصهم يكافئ حسابياً الانتقال الكمي - وهذا هو مفتاح التشفير الكمومي ، وقد تم بالفعل إثباته في المختبر.

يقول جون بريسكيل ، الخبير في الثقوب السوداء والجاذبية الكمية من كالتيك ، إن الثقوب الدودية الجديدة التي كانت تدور حولها مفاجأة ، ولها آثار على مفارقة المعلومات والداخل من الثقوب السوداء. يقول: "أكثر ما يعجبني ، هو أنه يمكن للمراقب دخول الثقب الأسود ثم الهروب من هناك وإخبار ما رآه." هذا يشير إلى وجود الدواخل من BH وأن كل ما يدخل إليها يجب أن يعود.

معادلة غامضة

بدأ العمل على ثقب دودي جديد في عام 2013 ، عندما حضر Jafferis عرضًا مثيرًا للاهتمام في مؤتمر سلسلة في كوريا الجنوبية. استنتج المتحدث خوان مالداسينا ، أستاذ الفيزياء في معهد برينستون للدراسات المتقدمة ، من العديد من الأدلة غير المباشرة والمنطق بأن ER = EPR . أي أن الثقوب الدودية بين النقاط البعيدة في الزمكان ، والتي تسمى أبسطها جسور آينشتاين-روزين ، أو ER ، مكافئة (على الرغم من أنها ليست بالطريقة الأكثر وضوحًا) للجسيمات الكمومية المتشابكة ، والمعروفة أيضًا باسم أزواج آينشتاين-روزين-بودولسكي ، EPR. تحاول فرضية ER = EPR ، التي طرحها Maldasena و Leonard Sasskind من جامعة ستانفورد ، حل النسخة الحديثة من مفارقة معلومات الثقب الأسود سيئة السمعة من خلال ربط هندسة الزمكان التي تسيطر عليها TOT مع الروابط الكمية اللحظية بين الجسيمات المنفصلة عن بعد ، والتي أطلق عليها أينشتاين "عمل طويل المدى مخيف".

كان التناقض يلوح في الأفق بشكل غامض منذ عام 1974 ، عندما قرر الفيزيائي البريطاني ستيفن هوكينج أن BHs تتبخر - فهي تشع ببطء الحرارة على شكل جزيئات ، تُعرف باسم "إشعاع هوكينج". حسب هوكينج أن هذه الحرارة كانت عشوائية تمامًا. لا يحتوي على معلومات حول محتويات الثقب الأسود. وعندما يتوقف وجود الثقب الأسود ، يحدث الشيء نفسه مع سجل الكون حول كل ما سقط داخل الثقب الأسود. لكن هذا ينتهك مبدأ الوحدة ، أساس نظرية الكم ، التي تدعي أنه عندما تتفاعل الجسيمات ، لا يتم فقدان المعلومات المتعلقة بها أبدًا ، يتم خلطها فقط ، بحيث إذا قمت بإعادة سهم الوقت للتطور الكمي للكون مرة أخرى ، فسوف ترى كيف تظهر الأشياء مرة أخرى ، وإعادة إنشاء الماضي بدقة.


دانيال جافيريس ، أستاذ الفيزياء المشارك بجامعة هارفارد

يؤمن الجميع تقريبًا بالوحدة ، وبالتالي فإن المعلومات ملزمة ببساطة بالهروب من الثقب الأسود - ولكن كيف؟ على مدى السنوات الخمس الماضية ، ادعى بعض المنظرين ، ولا سيما جوزيف بولتشينسكي من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا ، أن الثقوب السوداء عبارة عن قذائف فارغة بدون أي حشوة ، وسقوط إيلي أرواي على أفق حدث الثقب الأسود ، فسوف يسقط على "جدار حماية" ويشع العودة.

يعتقد العديد من المنظرين في وجود الدواخل الداخلية (والتحولات الأكثر سلاسة من خلال أفقهم) ، ولكن لفهمها ، يحتاجون إلى معرفة مصير المعلومات التي تدخل. يعد ذلك ضروريًا لبناء نظرية كمومية عاملة عن الجاذبية ، وهي مزيج طال انتظاره من فيزياء الكم ووصف للزمكان المكاني ، وهو الأكثر حدة في BH ، حيث تعمل الجاذبية القصوى على المقاييس الكمومية.

قادت الجاذبية الكمية Maldasenu ، وبعده Jafferis ، إلى فكرة ER = EPR وديدان. تزامنت العلاقة المفترضة بين أنفاق الزمكان والتشابك الكمومي ، الموصوفة بفرضية ، مع الفكرة الأخيرة التي مفادها أن الفضاء يتم خياطته مع التشابك الكمي. من الواضح أن الثقوب الدودية لها دور خاص في خياطة الزمكان والهروب من المعلومات من الثقب الأسود - ولكن كيف يمكن لهذا العمل؟ عندما سمع جافيريس تقرير مالداسينا عن معادلته الغامضة وحججه ، كان يعلم أن ثقب الدودة القياسي ER كان غير مستقر وغير سالٍ. لكنه تساءل عما قد يعني ازدواجية معادلة مالداسينا لثقب دودي - معادلة لعبها ثورن وآخرون قبل عدة عقود. بعد ثلاث سنوات من التقرير في كوريا الجنوبية ، قدم جافيريس وزملاؤه قاو ووال ردهم. يوسع عملهم فكرة ER = EPR من خلال عدم مساواة الثقب الدودي القياسي وزوج من الجسيمات المتشابكة ، ولكن الثقب الدودي القابل للانتقال والتحريك الكمي: تم فتح قانون في عام 1993 يسمح للنظام الكمي بالاختفاء ويظهر مرة أخرى دون أن يصاب بأذى.

قرأ مالداسينا عمل جاو وجافيريس والو: "بدا لي أن هذه فكرة جيدة جدًا ، واحدة من تلك التي تبدو واضحة عندما تكتشفها". بدأ مالداسين ومساعدوه ، دوغلاس ستانفورد وزين بن يونغ ، على الفور في دراسة العواقب المكتشفة حديثًا لهذه الفكرة على مفارقة المعلومات في BH ؛ ظهرت وظيفتهم الجديدة في أبريل. تابع سوسكيند ويين تشاو من ستانفورد المتابعة عن بعد عبر الثقوب الدودية في يوليو. وقالت مالداسينا إن الثقوب الدودية "ترسم صورة هندسية مثيرة للاهتمام لعملية النقل عن بعد". "الرسالة تتحرك عبر الثقب الدودي."


ماذا يحدث عند السقوط في الثقب الأسود

الغوص في الثقوب الدودية

في مقالهم الغوص في الثقوب الدودية القابلة للنشر ، المنشور في Fortschritte der Physik ، Muldacena ، ستانفورد ، ويونغ يفحصون نوعًا جديدًا من الثقوب الدودية يربط بين ثقبين أسودين: أحد الأبوين BH وابنة BH تتكون من نصف إشعاع هوكينغ المنبعث من قبل الوالد أثناء التبخر. يتم الخلط بين نظامين إلى أقصى حد. ثم يكون مصير معلومات BH الأقدم واضحًا: فهو يخترق الثقب الدودي إلى BH الفرعية.

خلال مقابلة في مكتبه الهادئ في معهد مالداسين للدراسات المتقدمة ، وصف أمريكي صامت من أصل أرجنتيني ، مع العديد من الأفكار المؤثرة وراءه ، أفكاره الراديكالية. إلى يمين السبورة الملطخة بالطباشير ، رسم مالداسين صورة غير مميزة لفتحتين أسودتين مرتبطتين بثقب دودي. على اليسار ، رسم تجربة على التحريك الكمي ، قام بها المجربون الخياليون المشهورون أليس وبوب ، يمتلكان جسيمات متشابكة الكم و أ ، على التوالي. افترض أن Alice تريد نقل qbit q إلى Bob. تقوم بتحضير الحالة المدمجة q و a ، وتقيسها (تقليل كل شيء إلى زوج من البتات الكلاسيكية ، 1 و 0) ، وترسل نتيجة القياس إلى Bob. يمكنه بعد ذلك استخدامه كمفتاح للعمل على b لإعادة الحالة q. والآن تنتقل وحدة المعلومات الكمية من مكان إلى آخر.

تحولت Maldacena إلى الجانب الأيمن من اللوحة. "يمكن إجراء العمليات باستخدام زوج من BHs يعادل ما قلته لك عن الانتقال الكمي. وفي هذه الصورة ، تمر الرسالة حقًا عبر الثقب الدودي. "


خوان مالداسينا

لنفترض أن Alice ترمي qubit q عند BH A. ثم تقيس جزيء إشعاع Hawking a وترسل نتيجة القياس من خلال الجزء الخارجي من الكون إلى Bob ، الذي يمكنه استخدام هذه المعرفة للعمل على b ، جزيء إشعاع Hawking المنبثق من BH B. ، والتي يبدو أنها قفزت من الثقب B ، وتتطابق بشكل مثالي مع ما وقع في A. ولهذا السبب يعاني بعض الفيزيائيين من مثل هذا الإثارة السارة حول هذا: تسمح لك الثقب الدودي Gao و Jafferis و Wall بإعادة إنشاء معلومات من الثقب الأسود. في عملهم ، وضعوا ثقبهم الدودي في زمان منحني سلبيًا ، والذي يعمل غالبًا كمجال مفيد ، وإن كان غير واقعي ، للتجارب في نظرية الجاذبية الكمية. ومع ذلك ، تمتد فكرة الثقوب الدودية إلى العالم الحقيقي ، شريطة أن تكون الحساسين مترابطين بالطريقة الصحيحة: "يجب أن يكونا مترابطين سببيًا ، وبعد ذلك ستكون طبيعة التفاعلات التي وصفناها هي أبسط حالة يمكن تخيلها" ، يشرح جافيريس. إذا تم السماح لإشعاع هوكينج من BH بالوقوع في آخر ، فإن BHs تصبح متشابكة ، وتأتي المعلومات الكمية التي تقع في أحدهما من الآخر.

يحظر الشكل الكمي للتحريك عن بعد استخدام الثقوب الدودية القابلة للمشي كآلات زمنية. يجب أن ينتظر كل شيء يمر عبر الثقب الدودي حتى تصل رسالة أليس إلى بوب من خلال الكون الخارجي ، حتى تتمكن من الخروج من BH الخاص بـ Bob - لذلك لا يوفر الثقب الثوري سرعة فائقة يمكن استخدامها في السفر عبر الزمن. على ما يبدو ، يمكن أن توجد ثقوب دودية قابلة للمشي في الطبيعة ، طالما أنها لا توفر مزايا السرعة. يكتب غاو وجافيريس ووال في عملهم: "الثقوب الدودية القابلة للسحب تشبه القرض المصرفي". "يمكنك الحصول عليها فقط عندما تكون ثريًا بما يكفي بحيث لا تحتاجك."

أخطبوط ساذج

على الرغم من أن الثقوب السوداء القابلة للتمرير لن تحدث ثورة في السفر إلى الفضاء ، يجادل بريسكيل بأن الاكتشاف الجديد يوفر "حلًا واعدًا" لمشكلة جدار الحماية في الثقب الأسود ، مما يشير إلى عدم وجود جدار حماية في أفقهم. قال بريسكيل إن الاكتشاف يحفظ "تكامل الثقب الأسود" ، مما يعني أن داخل وخارج BHs ليس نظامين مختلفين ، ولكنهما يعملان كطريقتين مختلفتين ولكن متكاملتين للنظر إلى نفس النظام. إذا استمر التكامل ، كما اقترح الكثير ، فعند الانتقال عبر أفق حدث BH من جزء من الكون إلى جزء آخر ، لن تشعر إيلي أرواي من Kontakt بأي شيء غريب. على ما يبدو ، في ظل ظروف معينة ، يمكنها حتى أن تنزلق من خلال الثقب الدودي لـ Gao-Jafferis-Wall.

يحمي الثقب أيضًا الوحدة - مبدأ عدم فقدان المعلومات - على الأقل في حالة BHs المربكة التي يتم دراستها حاليًا. كل شيء يقع في BH يأتي من الآخر في شكل إشعاع هوكينج ، كما يقول بريسكيل ، والذي يمكن بعد ذلك "اعتباره نسخة مشفرة بقوة من التصميمات الداخلية لـ BH."

تلخيصًا للانفتاح إلى استنتاج منطقي ، يعتقد بريسكيل أنه يجب أن يكون من الممكن (على الأقل بالنسبة لحضارة متقدمة بلا حدود "التأثير على الأجزاء الداخلية لأحد هذه BHs من خلال معالجة إشعاعها. هذا" يبدو مجنونًا ، كما كتب في إحدى رسائله ، ولكن "قد يكون من المنطقي إذا تذكرنا أن الإشعاع المرتبط بالثقب الأسود - EPR - مرتبط بداخل الثقب الأسود بالفتحة الدودية - ER. ثم يمكن للتلاعب بالإشعاع إرسال رسالة يمكن قراءتها داخل الثقب الأسود! ولكن لا يزال لدينا الكثير من العمل للقيام به كيف يمكننا م وصف مفصل لهذه الصورة ".

هناك العديد من العقبات التي تحول دون تعميم الثقوب الدودية المفتوحة الجديدة لوصف مصير جميع المعلومات الكمية وقيمة المعادلة ER = EPR.


رسم تخطيطي للأخطبوط يشرح فكرة ER = EPR

ورقة Muldasena و Sasskind ، تثبت أن ER = EPR ، هو رسم تخطيطي يسمى "الأخطبوط": ثقب أسود مع ثقوب دودية تشبه اللامسة تؤدي إلى جزيئات هوكينج البعيدة المنبعثة منها. يشرح المؤلف أن الرسم يوضح "التشابك بين BH وإشعاع هوكينج. نعتقد أن هذا التشابك يؤدي إلى الهندسة الداخلية للثقب الأسود ".

ولكن ، وفقًا لما قاله مات ويسر ، عالم الرياضيات وخبير النسبية العامة في جامعة الملكة فيكتوريا في ويلينغتون ، الذي كان يدرس الثقوب الدودية منذ التسعينيات ، لا توجد حاجة إلى رسم رسم تخطيطي للأخطبوط. ستكون الثقوب الدودية التي تكونت قبل جزيئات هوكينج رفيعة جدًا بحيث لا تتسلل كيوبت عبرها. يوضح فيسر: "إن الثقب الدودي القابل للشفافية شفاف فقط لحزم الأمواج التي يقل حجمها عن نصف قطرها". "إن حزم الموجة الكبيرة سترتد ببساطة من الثقوب الدودية الصغيرة ، ولن تعبرها على الجانب الآخر."

ستانفورد ، مؤلف مشارك في عمل حديث لـ Muldasena and Young ، يعترف بأن هذه يمكن أن تكون مشكلة في أبسط تفسير لفكرة ER = EPR ، حيث يكون لكل جسيم هوكينج ثقب دودي خاص به. ومع ذلك ، فإن تفسيرًا أكثر تجريدًا للفكرة التي كان يفكر فيها هو وزملاؤه لم يعانوا من هذا العيب. "نعتقد أنه من أجل استعادة المعلومات من إشعاع هوكينج باستخدام الثقوب الدودية ، من الضروري جمع إشعاع هوكينج في مكان واحد والعمل معه بطريقة معقدة إلى حد ما." يعطي مثل هذا القياس الجماعي معلومات حول الجسيمات التي سقطت في BH في وقت سابق. كما يقول ، لديه "ثقب دودي كبير قابل للمشي يتكون من مخالب صغيرة عديمة الفائدة. ثم يتم إرسال المعلومات من خلال هذا الثقب الكبير ". وأضاف مالداسينا أن نظرية الجاذبية الكمومية ، بكل بساطة ، قد يكون لها فكرة جديدة ومعممة عن الهندسة ، حيث تساوي ER EPR. يقول: "نعتقد أن الجاذبية الكمية يجب أن تلتزم بهذا المبدأ". "نحن نرى هذا أكثر كمبدأ توجيهي للنظرية."

في كتاب العلوم الشعبية لعام 1994 " الثقوب السوداء و تجاعيد الزمن" ، أعجب كيب ثورن بالمنطق المستخدم في أبحاث الثقب. يكتب: "لا توجد تجارب فكرية تعطي عبئًا على قوانين الفيزياء مثل تلك التي ظهرت بسبب مكالمة هاتفية من كارل ساجان" ، كتب تجارب فكرية تطرح السؤال: "من وجهة نظر قوانين الفيزياء ، يمكن للحضارة المتقدمة بشكل لا نهائي تحمله ، وماذا لا؟ "