لقطات من فيلم "بين النجوم" مع ثقب دودي (2014)

تحكي ملحمة الفضاء «بين النجوم» (نحن نتحدث عن فيلم خيال علمي صدر في أكتوبر 2014) عن رواد فضاء يكتشفون، بحثًا عن خيارات لإنقاذ البشرية، «طريق الحياة» الذي يمثله نفق غامض.

يظهر هذا المقطع لسبب غير مفهوم بالقرب من زحل وفي الزمكان يقود الشخص إلى مجرة ​​بعيدة، مما يوفر فرصة للعثور على كواكب تسكنها كائنات حية. الكواكب التي يمكن أن تصبح المنزل الثاني للناس.

إن فرضية وجود نفق سينمائي، أطلق عليها العلماء اسم “الثقب الدودي” أو “الثقب الدودي”، سبقتها نظرية فيزيائية حقيقية، اقترحها أحد علماء الفيزياء الفلكية الأوائل وأستاذ سابق في جامعة كاليفورنيا. معهد التكنولوجياكيب ثورن.

ساعد كيب ثورن عالم الفلك وعالم الفيزياء الفلكية ومروج العلوم وأحد الذين بدأوا مشروع البحث عن ذكاء خارج كوكب الأرض - كارل ساجان - في إنشاء نموذج للثقب الدودي لروايته "الاتصال". إن مدى إقناع الصور المرئية في الفيلم لعلماء الفضاء واضح جدًا لدرجة أن علماء الفيزياء الفلكية يعترفون بأن هذه ربما تكون الصور الأكثر دقة للثقوب الدودية والثقوب السوداء الموجودة في السينما العالمية.

لا يوجد سوى تفصيل واحد "صغير" في هذا الفيلم يطارد المشاهد اليقظ: إن الطيران في شيء كهذا على متن قطار فضائي سريع أمر رائع بالطبع، ولكن هل سيتمكن الطيارون من عدم الاستسلام أثناء هذه الحركة بين النجوم؟

اختار مبتكرو الفيلم الرائج عدم الإشارة إلى أن النظرية الأصلية للثقوب الدودية تنتمي إلى منظرين رائدين آخرين في الفيزياء الفلكية - بدأ ألبرت أينشتاين في تطويرها مع مساعده ناثان روزين. حاول هؤلاء العلماء حل معادلات أينشتاين للنسبية العامة فكانت النتيجة نموذج رياضيالكون بأكمله، بالإضافة إلى قوى الجذب والجسيمات الأولية التي تشكل المادة. وفي خضم كل هذا، جرت محاولة لتصور الفضاء على أنه طائرتان هندسيتان متصلتان ببعضهما البعض بواسطة "جسور".

بالتوازي، ولكن بشكل مستقل عن أينشتاين، تم تنفيذ عمل مماثل من قبل فيزيائي آخر، لودفيج فلام، الذي اكتشف مثل هذه "الجسور" في عام 1916، أثناء حل معادلات أينشتاين أيضًا.

عانى جميع "بناة الجسور" الثلاثة من خيبة أمل مشتركة، حيث تبين أن "نظرية كل ما هو موجود" غير قابلة للحياة: مثل هذه "الجسور" من الناحية النظرية لم تتصرف على الإطلاق مثل الجزيئات الأولية الحقيقية.

ومع ذلك، في عام 1935، نشر أينشتاين وروزن ورقة بحثية حددا فيها نظريتهما الخاصة حول الأنفاق في استمرارية الزمكان. من الواضح أن هذا العمل، كما تصوره المؤلفون، كان من المفترض أن يشجع الأجيال الأخرى من العلماء على التفكير في إمكانية تطبيق مثل هذه النظرية.

أدخل الفيزيائي من جامعة برينستون جون ويلر في وقته تسمية "الثقب الدودي" في المفردات، والتي كانت تستخدم في السنوات الأولى لدراسة بناء نماذج "الجسور" وفقًا لنظرية أينشتاين-روزن. لاحظ ويلر: مثل هذا "الجسر" يذكرنا بشكل مؤلم بالممر الذي تقضمه دودة في الفاكهة. دعونا نتخيل نملة تزحف من جانب واحد من الكمثرى إلى الجانب الآخر - يمكنها إما الزحف على طول السطح المنحني بأكمله، أو عن طريق الاختصار، عبور الفاكهة من خلال نفق الثقب الدودي.

وإذا تخيلنا أن استمراريتنا الزمانية ثلاثية الأبعاد هي قشرة كمثرى، كما لو أن السطح المنحني يغطي "الكتلة" بالكثير من أحجام كبيرة؟ ولعل "جسر" أينشتاين-روزن هو النفق نفسه الذي يقطع هذه "الكتلة"، فهو يسمح لطياري المركبة الفضائية بتقليل المسافة في الفضاء بين نقطتين. ربما، في هذه الحالة نتحدث عن حل رياضي حقيقي للنظرية النسبية العامة.

وفقًا لويلر، فإن أفواه "جسور" أينشتاين-روزن تذكرنا جدًا بما يسمى بثقب شوارزشيلد الأسود - وهي مادة بسيطة لها شكل كروي وكثيفة جدًا بحيث لا يمكن التغلب على قوة جاذبيتها حتى عن طريق الضوء. علماء الفلك لديهم رأي قوي حول وجود "الثقوب السوداء". وهم يعتقدون أن هذه التشكيلات تولد عندما "تنهار" النجوم الضخمة جدًا أو تموت.

ما مدى صحة الفرضية القائلة بأن "الثقب الأسود" هو نفس "الثقب الدودي" أو النفق الذي يسمح برحلات فضائية لمسافات طويلة؟ ربما، من وجهة نظر رياضية، هذا البيان صحيح. ولكن من الناحية النظرية فقط: لن يكون هناك ناجون في مثل هذه الرحلة الاستكشافية.

يمثل نموذج شوارزشيلد المركز المظلم لـ "الثقب الأسود" كنقطة منفردة أو كرة مركزية ثابتة محايدة ذات كثافة لا نهائية. وتظهر حسابات ويلر عواقب ما حدث في حالة تكوين مثل هذا "الثقب الدودي" عندما تتقارب نقطتان منفردتان ("ثقوب شوارزشيلد السوداء") في جزأين متباعدين من الكون في "كتلتهما" ويخلقان نفقًا بينهما .

اكتشف الباحث أن مثل هذا "الثقب الدودي" ذو طبيعة غير مستقرة: يتشكل نفق في البداية ثم ينهار، وبعد ذلك تبقى نقطتان منفردتان فقط ("الثقوب السوداء") مرة أخرى. تتم إجراءات ظهور النفق وإغلاقه بسرعة البرق لدرجة أنه حتى شعاع الضوء لا يمكنه اختراقه، ناهيك عن رائد الفضاء الذي يحاول التسلل عبره - سوف يبتلعه "الثقب الأسود" تمامًا. ليست مزحة - نحن نتحدث عن الموت الفوري، لأن قوى الجاذبية للقوة المجنونة سوف تمزق الشخص إلى أشلاء.

"الثقوب السوداء" و"البقع البيضاء"

أصدر ثورن كتابًا في نفس وقت إصدار الفيلم. الأساسيات العلميةفيلم "بين النجوم" ويؤكد في هذا العمل: “إن أي جسد – حياً كان أو جماداً – في لحظة انهيار النفق سوف يسحق ويتمزق إرباً!”

لآخر، الخيار البديل- "الثقب الأسود" الدوار لكير - وجد الباحثون في "البقع البيضاء" في السفر بين الكواكب حلاً مختلفًا للنظرية النسبية العامة. وللتفرد الموجود داخل "الثقب الأسود" الذي اقترحه كير شكل مختلف، ليس كرويًا، بل حلقي الشكل.

يمكن لنماذج معينة منها أن تمنح الشخص فرصة البقاء على قيد الحياة في رحلة بين النجوم، ولكن فقط إذا مرت السفينة بهذا الثقب حصريًا عبر مركز الحلقة. شيء مثل كرة السلة الفضائية، فقط سعر الضربة هنا ليس نقاطًا إضافية: ما هو على المحك هو وجود المركبة الفضائية وطاقمها.

ويشكك مؤلف كتاب «علم بين النجوم»، كيب ثورن، في صحة هذه النظرية. في عام 1987، كتب مقالًا عن الطيران عبر "الثقب الدودي"، حيث أشار إلى تفصيل مهم: يحتوي عنق نفق كير على قسم غير موثوق به على الإطلاق، يسمى "أفق كوشي".

كما تظهر الحسابات ذات الصلة، بمجرد أن يحاول الجسم تجاوز هذه النقطة، ينهار النفق. علاوة على ذلك، مع مراعاة بعض الاستقرار في "الثقب الدودي"، فإنه، كما تقول نظرية الكم، سيتم ملؤه على الفور بجزيئات سريعة عالية الطاقة.

وبالتالي، بمجرد أن تلتصق بـ "الثقب الأسود" الذي ذكره كير، ستبقى لديك قشرة جافة ومقلية.

والسبب هو "العمل الرهيب بعيد المدى"؟

والحقيقة هي أن الفيزيائيين لم يكيفوا بعد قوانين الجاذبية الكلاسيكية مع نظرية الكم - وهذا الفرع من الرياضيات يصعب فهمه، ولم يعطه العديد من العلماء تعريفًا دقيقًا.

في الوقت نفسه، اقترح عالم برينستون خوان مالسادينا وزميله في جامعة ستانفورد ليونارد سسكيند أن الثقوب الدودية ليست على ما يبدو أكثر من تجسيد مادي للتشابك في الوقت الذي تكون فيه الأجسام الكمومية متصلة - بغض النظر عما إذا كانت بعيدة عن بعضها البعض.

كان لألبرت أينشتاين اسمه الخاص لمثل هذا التشابك - "العمل الرهيب بعيد المدى"، ولم يفكر الفيزيائي العظيم حتى في الاتفاق مع وجهة النظر المقبولة عمومًا. وعلى الرغم من ذلك، فقد أثبتت العديد من التجارب وجود التشابك الكمي. علاوة على ذلك، فهو يستخدم بالفعل لأغراض تجارية - فهو يحمي نقل البيانات عبر الإنترنت، على سبيل المثال، المعاملات المصرفية.

وفقًا لمالسادينا وسسكيند، يمكن أن يؤثر التشابك الكمي بكميات كبيرة على التغيرات في هندسة استمرارية الزمكان ويساهم في ظهور "الثقوب الدودية" على شكل "ثقوب سوداء" مرتبطة. لكن فرضية هؤلاء العلماء لا تسمح بظهور أنفاق بين النجوم يمكن عبورها.

وبحسب مالسادينا، فإن هذه الأنفاق، من ناحية، لا توفر الفرصة للطيران بسرعة أكبر من سرعة الضوء، ومن ناحية أخرى، لا يزال بإمكانها مساعدة رواد الفضاء على الالتقاء هناك، بالداخل، مع شخص “آخر”. لكن ليس هناك متعة في مثل هذا اللقاء، إذ أن اللقاء سيعقبه الموت المحتوم من تأثير الجاذبية في مركز "الثقب الأسود".

باختصار، تشكل "الثقوب السوداء" عائقًا حقيقيًا أمام استكشاف الإنسان للفضاء. في هذه الحالة، ماذا يمكن أن تكون "الثقوب الدودية"؟ وفقًا لآفي لوب، العالم في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية، فإن لدى الناس العديد من الخيارات في هذا الصدد: نظرًا لعدم وجود نظرية تجمع بين النسبية العامة وميكانيكا الكم، فإننا لسنا على دراية بالنطاق الكامل للزمكان المحتمل. الهياكل التي قد تظهر فيها الثقوب الدودية "

إنهم ينهارون

ولكن هنا أيضًا، ليس كل شيء بهذه البساطة. أثبت كيب ثورن نفسه في عام 1987 خصوصية أن أي "ثقب دودي"، يتوافق مع النظرية النسبية العامة، ينهار إذا لم تتم محاولة إبقائه مفتوحًا بسبب ما يسمى بالمادة الغريبة التي لها طاقة سلبية أو مضادة للجاذبية. يؤكد ثورن: يمكن إثبات حقيقة وجود المادة الخارجية تجريبيًا.

ستظهر التجارب أن التقلبات الكمية في الفراغ قادرة على ما يبدو على خلق ضغط سلبي بين مرآتين موضوعتين بالقرب من بعضهما البعض.

بدوره، وفقا لآفي لوب، إذا لاحظنا ما يسمى بالطاقة المظلمة، فإن هذه الدراسات ستعطي المزيد من الأسباب للاعتقاد بوجود مادة غريبة.

يقول أحد العلماء في مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية: "... لقد رأينا المجرات عبر التاريخ الكوني الحديث تبتعد عنا بسرعة متزايدة مع مرور الوقت، كما لو كانت تحت تأثير الجاذبية المضادة - هذا التوسع المتسارع في المجرات". يمكن تفسير الكون إذا كان الكون مملوءًا بمادة الضغط السلبي، بالضبط المادة اللازمة لظهور الثقب الدودي..."

وفي الوقت نفسه، يعتقد كل من لوب وثورن أنه حتى لو أمكن ظهور الثقب الدودي بشكل طبيعي، فإنه سيتطلب كتلة من المادة الغريبة. فقط الحضارة المتطورة للغاية ستكون قادرة على تجميع احتياطي الطاقة هذا وتحقيق الاستقرار اللاحق لمثل هذا النفق.

كما أنه «لا يوجد اتفاق بين الرفاق» في وجهات نظرهم حول هذه النظرية. وإليك ما يعتقده زميلهم مالسادينا بشأن النتائج التي توصل إليها لوب وثورن، على سبيل المثال:

"...أعتقد أن فكرة وجود ثقب دودي مستقر يمكن عبوره ليست واضحة بما فيه الكفاية، وعلى ما يبدو، لا تتوافق مع قوانين الفيزياء المعروفة..." سابين هوسنفيلدر من المعهد الاسكندنافي للفيزياء النظرية في السويد يحطم تمامًا استنتاجات لوب ثورن إلى قطع صغيرة: "... ليس لدينا أي دليل على الإطلاق على وجود مادة غريبة. " علاوة على ذلك، هناك اعتقاد واسع النطاق بأنه لا يمكن أن يوجد، لأنه لو وجد لكان الفراغ غير مستقر..."

حتى لو كانت هذه المادة الغريبة موجودة، فإن هوسينفيلدر يطور فكرته، وسيكون التحرك داخلها أمرًا مزعجًا للغاية: في كل مرة ستعتمد الأحاسيس بشكل مباشر على درجة انحناء هيكل الزمكان حول النفق وعلى كثافة الطاقة بداخله. تختتم سابين هوسنفيلدر:

"...هذا يشبه إلى حد كبير "الثقوب السوداء": قوى المد والجزر كبيرة جدًا وسوف يتمزق الإنسان إربًا..."

ومن المفارقات أنه على الرغم من مساهماته في فيلم Interstellar، فإن ثورن لا يعتقد أيضًا أن مثل هذا النفق يمكن عبوره يمكن أن يظهر على الإطلاق. وإمكانية مرور رواد الفضاء عبره (دون أي ضرر!) - بل وأكثر من ذلك. وهو نفسه يعترف بذلك في كتابه:

"...إذا كان من الممكن وجود [الأنفاق]، فأنا أشك كثيرًا في إمكانية ظهورها في الكون الفيزيائي الفلكي بشكل طبيعي..."

... إذن آمن بأفلام الخيال العلمي!

الثقب الدودي أو الثقب الدودي هو سمة طوبولوجية افتراضية للزمكان تمثل "نفقًا" في الفضاء في أي وقت محدد (نفق الزمكان). وبالتالي، فإن الثقب الدودي يسمح لك بالتحرك في المكان والزمان. يمكن أن تكون المناطق المتصلة بواسطة الثقب الدودي عبارة عن مناطق ذات مساحة واحدة أو تكون منفصلة تمامًا. وفي الحالة الثانية، يكون الثقب الدودي هو الرابط الوحيد بين المنطقتين. غالبًا ما يُطلق على النوع الأول من الثقوب الدودية اسم "العالم الداخلي"، والنوع الثاني "العالم الداخلي".

وكما هو معروف فإن النظرية النسبية العامة تحرم الحركة في الكون بسرعات تتجاوز سرعة الضوء. ومن ناحية أخرى، تسمح النسبية العامة بوجود أنفاق زمانية، ولكن من الضروري أن يتم ملء النفق بمادة غريبة ذات كثافة طاقة سالبة، مما يخلق تنافرًا ثقاليًا قويًا ويمنع النفق من الانهيار.

غالبًا ما تشتمل هذه الجزيئات من المادة الغريبة على التاكيونات. التاكيونات هي جسيمات افتراضية تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ولكي لا تنتهك هذه الجسيمات النسبية العامة، من المفترض أن تكون كتلة التاكيونات سالبة.

حاليًا، لا يوجد دليل تجريبي موثوق على وجود التاكيونات في التجارب المعملية أو الملاحظات الفلكية. لا يمكن للفيزيائيين إلا أن يتباهوا بكتلة "شبه سالبة" من الإلكترونات والذرات، يحصلون عليها عند كثافة عالية من المجالات الكهربائية والاستقطاب الخاص أشعة الليزرأو درجات حرارة منخفضة للغاية. في الحالة الأخيرة، تم إجراء تجارب باستخدام مكثف بوز-آينشتاين، وهي حالة من تجميع المادة تعتمد على البوزونات المبردة إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (أقل من جزء من المليون من كلفن). في مثل هذه الحالة شديدة البرودة، يجد عدد كبير بما فيه الكفاية من الذرات نفسها في أدنى حالاتها الكمومية الممكنة، وتبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور على المستوى العياني. مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء عام 2001 لإنتاج مكثفات بوز-آينشتاين.

ومع ذلك، يشير عدد من الخبراء إلى أن التاكيونات قد تكون كذلك. هذه الجسيمات الأولية لها كتلة غير صفرية، وهو ما تم إثباته من خلال اكتشاف تذبذبات النيوترينو. حتى أن الاكتشاف الأخير قد تم منحه جائزة نوبلفي الفيزياء لعام 2015. على الجانب الآخر القيمة الدقيقةولم يتم تحديد كتلة النيوترينوات بعد. أظهر عدد من التجارب التي تقيس سرعة النيوترينوات أن سرعتها يمكن أن تتجاوز سرعة الضوء قليلاً. يتم استجواب هذه البيانات باستمرار، ولكن في عام 2014 تم نشرها عمل جديدفي هذه المناسبة.

نظرية الأوتار

بالتوازي، يقترح بعض المنظرين أن التكوينات الخاصة (الأوتار الكونية) ذات الكتلة السلبية يمكن أن تكون قد تشكلت في الكون المبكر. يمكن أن يصل طول الأوتار الكونية المتبقية إلى عدة عشرات من الفراسخ الفلكية على الأقل بسماكة أقل من قطر الذرة بمتوسط ​​كثافة 1022 جرامًا لكل سم 3. هناك العديد من الدراسات التي لوحظت تشكيلات مماثلة في أحداث عدسة الجاذبية للضوء من الكوازارات البعيدة. وبشكل عام، فهي حاليًا المرشح الأرجح لـ"نظرية كل شيء" أو نظرية المجال الموحد التي تجمع بين النظرية النسبية ونظرية المجال الكمي. ووفقاً له فإن جميع الجسيمات الأولية عبارة عن خيوط طاقة متذبذبة يبلغ طولها حوالي 10 - 33 متراً، وهو ما يعادل (أصغر حجم ممكن لجسم ما في الكون).

تقترح نظرية المجال الموحد أنه في أبعاد الزمكان توجد خلايا ذات حد أدنى من الطول والوقت. يجب أن يكون الحد الأدنى للطول مساوياً لطول بلانك (حوالي 1.6·10−35 مترًا).

وفي الوقت نفسه، تشير ملاحظات انفجارات أشعة جاما البعيدة إلى أنه في حالة وجود حبيبات الفضاء، فإن حجم هذه الحبيبات لا يزيد عن 10 −48 مترًا. بالإضافة إلى ذلك، لم يتمكن من تأكيد بعض نتائج نظرية الأوتار، التي أصبحت حجة جدية لمغالطة هذه النظرية الأساسية للفيزياء الحديثة.

من المحتمل أن يكون له أهمية كبيرة نحو إنشاء نظرية المجال الموحد وأنفاق الزمكان اكتشاف العلاقة النظرية بين التشابك الكمي والثقوب الدودية في عام 2014. أظهر العمل النظري الجديد أن إنشاء نفق الزمكان ممكن ليس فقط بين ثقبين أسودين ضخمين، ولكن أيضًا بين كواركين متشابكين كميًا.

التشابك الكمي هو ظاهرة في ميكانيكا الكم حيث الحالات الكمومية من اثنين أو أكثرالكائنات تتحول إلى أن تكون مترابطة. ويستمر هذا الاعتماد المتبادل حتى لو تم فصل هذه الأجسام في الفضاء بما يتجاوز أي تفاعلات معروفة. يؤدي قياس معلمة أحد الجسيمات إلى توقف لحظي (فوق سرعة الضوء) لحالة تشابك الجسيم الآخر، وهو ما يتعارض منطقيًا مع مبدأ المحلية (في هذه الحالة، لا يتم انتهاك النظرية النسبية والمعلومات لا ينتقل).

وصف كريستان جنسن من جامعة فيكتوريا (كندا) وأندرياس كارش من جامعة واشنطن (الولايات المتحدة الأمريكية) زوجًا كميًا متشابكًا يتكون من كوارك وكوارك مضاد يندفعان بعيدًا عن بعضهما البعض بسرعات قريبة من الضوء، مما يجعل من المستحيل نقلهما إشارات من واحدة إلى أخرى. ويعتقد الباحثون أن الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي تتحرك فيه الكواركات هو وجه افتراضي للعالم رباعي الأبعاد. في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ترتبط الجسيمات المتشابكة الكمومية بنوع من "الخيط". وفي الفضاء رباعي الأبعاد، تصبح هذه "السلسلة" بمثابة ثقب دودي.

قدم جوليان سونر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية) زوجًا كميًا متشابكًا من الكواركات والكواركات المضادة ولد في بيئة قوية. الحقل الكهربائيالتي تفصل بين الجسيمات المشحونة بشكل متعاكس، مما يؤدي إلى تسارعها في اتجاهات مختلفة. استنتج سونر أيضًا أن الجسيمات الكمومية المتشابكة في الفضاء ثلاثي الأبعاد سوف تكون متصلة بواسطة ثقب دودي في الفضاء رباعي الأبعاد. عند إجراء الحسابات، استخدم الفيزيائيون ما يسمى بالمبدأ المجسم - المفهوم الذي بموجبه تنعكس كل فيزياء العالم ذو الأبعاد n بالكامل على "حوافه" بعدد الأبعاد (n-1). وبهذا «الإسقاط» فإن نظرية الكم التي تأخذ في الاعتبار تأثيرات الجاذبية في الأبعاد الأربعة تعادل نظرية الكم «بدون جاذبية» في ثلاثة أبعاد. بمعنى آخر، فإن الثقوب السوداء الموجودة في الفضاء رباعي الأبعاد والثقب الدودي بينهما يكافئان رياضيًا إسقاطهما المجسم ثلاثي الأبعاد.

آفاق موجة الجاذبية وعلم الفلك النيوترينو

يتمتع علم فلك موجات الجاذبية والنيوترينو بأكبر الاحتمالات في دراسة خصائص المادة على المستوى المجهري ومستوى الطاقة العالي من أجل فهم أفضل للجاذبية الكمية نظرًا لأنه يدرس الموجات والجسيمات ذات القوة الاختراقية الأكبر. لذا، إذا كانت بقايا إشعاع الكون الميكروي قد تشكلت بعد 380 ألف سنة، فإن النيوترينوات المتبقية في الثواني القليلة الأولى، والنيوترينوات المتبقية موجات الجاذبيةفي 10-32 ثانية فقط! بالإضافة إلى ذلك، فإن تسجيل مثل هذه الإشعاعات والجسيمات الصادرة عن الثقوب السوداء أو الأحداث الكارثية (اندماج وانهيار النجوم الضخمة) يعد أمرًا واعدًا للغاية.

من ناحية أخرى، تتطور المراصد الفلكية التقليدية بنشاط، والتي تغطي الآن الطيف الكهرومغناطيسي بأكمله. يمكن لمثل هذه المراصد اكتشاف الأجسام أو الظواهر غير المتوقعة في بداية الكون (السحب بين النجوم الأولى،

- سيرجي فلاديلينوفيتش، ما هو الثقب الدودي؟

لا يوجد تعريف صارم للغاية. هناك حاجة إلى مثل هذه التعريفات عند إثبات بعض النظريات، ولكن لا توجد نظريات صارمة تقريبًا، لذا فهي تقتصر بشكل أساسي على المفاهيم والصور التصويرية. تخيل أننا أخرجنا كرة من مساحتنا ثلاثية الأبعاد في غرفة واحدة وأخرجنا نفس الكرة تمامًا في غرفة أخرى، وقمنا بلصق الحدود الناتجة لهذه الثقوب معًا. وهكذا، عندما ندخل في غرفة واحدة داخل هذه الكرة السابقة، التي أصبحت حفرة، سنخرج في غرفة أخرى - من الحفرة التي تشكلت في مكان كرة أخرى. إذا لم تكن مساحتنا ثلاثية الأبعاد، بل ثنائية الأبعاد، فستبدو وكأنها ورقة تم لصقها بالقلم. يُطلق على التناظرية ثلاثية الأبعاد وتطورها في الوقت المناسب اسم الثقب الدودي.

- كيف يدرسون الثقوب الدودية بشكل عام؟

هذا نشاط نظري بحت. لم يسبق لأحد أن رأى الثقوب الدودية، وبشكل عام، ليس هناك يقين بوجودها. بدأوا في دراسة الثقوب الدودية انطلاقًا من السؤال: هل توجد آليات في الطبيعة تضمن لنا عدم وجود مثل هذه الجحور في الطبيعة؟ لم يتم العثور على هذه الآليات، لذلك يمكننا أن نفترض أن الثقوب الدودية هي ظاهرة حقيقية.

- هل من الممكن، من حيث المبدأ، رؤية الثقب الدودي؟

بالطبع. إذا زحف شخص فجأة من العدم إلى غرفة مغلقة، فأنت تراقب ثقبًا دوديًا. تم اختراع الثقوب الدودية كموضوع للدراسة والترويج لها من قبل الفيزيائي النظري الأمريكي جون ويلر، الذي أراد بمساعدتهم تفسير الشحنات الكهربائية، لا أكثر ولا أقل. دعني أشرح. إن وصف المجال الكهربائي الحر من وجهة نظر الفيزياء النظرية ليس مهمة صعبة للغاية. لكن وصف الشحنة الكهربائية من نفس وجهة النظر أمر صعب للغاية. وتظهر الشحنة الكهربائية بهذا المعنى كشيء غامض للغاية: نوع من المادة، منفصلة عن المجال، مجهولة المصدر، وليس من الواضح كيفية التعامل معها في الفيزياء الكلاسيكية. وكانت فكرة ويلر على النحو التالي. لنفترض أن لدينا ثقبًا دوديًا مجهريًا مليئًا بالثقب خطوط الكهرباء- هذه الخطوط تدخل إليه من طرف، وتخرج من الطرف الآخر. المراقب الخارجي الذي لا يعرف أن هذين الطرفين مرتبطان بخطوط القوة سوف يرى مثل هذا الجسم على أنه كرة بسيطة في الفضاء، وسوف يفحص المجال المحيط به، وسيبدو مثل مجال شحنة نقطية. فقط المراقب هو الذي سيعتقد أن هذه مادة غامضة لها شحنة، وما إلى ذلك، وكل ذلك لأنه لا يعرف أنه في الواقع ثقب دودي. بالطبع هذه فكرة أنيقة للغاية، وقد حاول الكثيرون تطويرها، لكنهم لم يحرزوا تقدمًا كبيرًا، لأن الإلكترونات هي في نهاية المطاف كائنات كمومية، وبطبيعة الحال، لا أحد يعرف كيف يصف الثقوب الدودية في الكم مستوى. ولكن إذا افترضنا أن الفرضية صحيحة، فإن الثقوب الدودية هي أكثر من مجرد ظاهرة يومية، فكل ما يتعلق بالكهرباء سيعتمد عليها في النهاية.

المادة الغريبة هي مفهوم فيزيائي كلاسيكي يصف أي مادة (عادةً ما تكون افتراضية) تنتهك مادة واحدة أو أكثر الظروف الكلاسيكيةأو لا يتكون من باريونات معروفة. قد تحتوي هذه المواد على صفات مثل كثافة الطاقة السلبية أو يتم صدها بدلاً من جذبها بسبب الجاذبية. يتم استخدام المادة الغريبة في بعض النظريات، على سبيل المثال، في النظرية حول بنية الثقوب الدودية. أفضل مثال معروف للمادة الغريبة هو الفراغ الموجود في منطقة الضغط السلبي الناتج عن تأثير كازيمير.

- ما هي أنواع الثقوب الدودية الموجودة؟

من وجهة نظر السفر النظري، هناك ثقوب دودية يمكن المرور بها، وهناك ثقوب دودية غير قابلة للعبور. تلك التي لا يمكن عبورها هي تلك التي يتم من خلالها تدمير الممر، ويحدث هذا بسرعة كبيرة بحيث لا يتوفر لأي كائن الوقت الكافي للعبور من طرف إلى آخر. بالطبع، الأكثر إثارة للاهتمام للدراسة هو النوع الثاني من الثقوب الدودية - المسموح بها. بل إن هناك نظرية جميلة تقول: إن ما كنا نعتقد أنه ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكز المجرات هو في الواقع أفواه ثقوب دودية. هذه النظرية غير متطورة تقريبا، وبطبيعة الحال، لم تجد أي تأكيد بعد، فهي موجودة، بدلا من ذلك، كنوع من الفكرة. جوهرها هو أنه خارج الثقب الدودي ترى فقط أنه يوجد في وسط المجرة جسم معين متماثل كرويًا، لكن ما هو - ثقب دودي أو ثقب أسود - لا يمكنك تحديده، لأنك خارج هذا الكائن.

في الواقع، يمكن تمييزها بمعلمة واحدة فقط - الكتلة. إذا تبين أن الكتلة سلبية، فمن المحتمل أن يكون هذا ثقبًا دوديًا، ولكن إذا كانت الكتلة موجبة، فهناك حاجة إلى ثقب دودي هنا معلومات إضافيةلأن الثقب الأسود يمكن أن يتحول أيضًا إلى ثقب دودي. تعد الكتلة السلبية بشكل عام إحدى اللحظات المركزية في قصة الثقوب الدودية بأكملها. لأنه لكي يكون ثقبًا دوديًا صالحًا للمرور، يجب ملؤه بما يسمى بمادة غريبة - وهي مادة تكون فيها كثافة الطاقة سالبة، على الأقل في بعض الأماكن، وفي بعض النقاط. على المستوى الكلاسيكي، لم ير أحد مثل هذه المادة من قبل، لكننا نعرف بالتأكيد أنه من حيث المبدأ يمكن أن يكون موجودا. وقد تم تسجيل التأثيرات الكمومية التي تؤدي إلى ظهور مثل هذه المادة. هذه ظاهرة معروفة إلى حد ما وتسمى تأثير كازيمير. تم تسجيله رسميا. وهو مرتبط على وجه التحديد بوجود كثافة الطاقة السلبية، وهو أمر ملهم للغاية.

تأثير كازيمير هو تأثير يتكون من التجاذب المتبادل لإجراء أجسام غير مشحونة تحت تأثير التقلبات الكمومية في الفراغ. غالبًا ما نتحدث عن سطحين متوازيين غير مشحونين يقعان على مسافة قريبة، ولكن تأثير كازيمير موجود أيضًا في الأشكال الهندسية الأكثر تعقيدًا. وسبب التأثير هو تقلبات الطاقة في الفراغ المادي بسبب الولادة المستمرة واختفاء الجزيئات الافتراضية فيه. تم توقع هذا التأثير من قبل الفيزيائي الهولندي هندريك كازيمير في عام 1948 وتم تأكيده تجريبيًا لاحقًا.

بشكل عام، في علم الكم، تعد كثافة الطاقة السلبية أمرًا شائعًا إلى حد ما، والذي يرتبط، على سبيل المثال، بتبخر هوكينج. إذا كانت مثل هذه الكثافة موجودة، فيمكننا أن نطرح السؤال التالي: ما حجم كتلة الثقب الأسود (معامل مجال الجاذبية الذي يخلقه)؟ هناك حل لهذه المشكلة ينطبق على الثقوب السوداء - أي الأجسام ذات الكتلة الموجبة، وهناك حل ينطبق على الأجسام السالبة. إذا كان هناك الكثير من المادة الغريبة في الثقب الدودي، فإن كتلة هذا الكائن في الخارج ستكون سلبية. ولذلك، فإن أحد الأنواع الرئيسية لـ "ملاحظات" الثقوب الدودية هو تتبع الأجسام التي يمكن افتراض أن كتلتها سالبة. وإذا وجدنا مثل هذا الكائن، فمن الممكن أن نقول بدرجة عالية إلى حد ما أن هذا هو ثقب دودي.

وتنقسم الثقوب الدودية أيضًا إلى داخل العالم وبين العالم. إذا قمنا بتدمير النفق الموجود بين فمي النوع الثاني من الفتحات، فسنتمكن من رؤية عالمين غير مرتبطين تمامًا. يسمى هذا الثقب الدودي بالعالم الداخلي. ولكن إذا فعلنا نفس الشيء ورأينا أن كل شيء على ما يرام - فنحن نبقى في نفس الكون - فلدينا ثقب دودي داخل العالم أمامنا. هناك الكثير من القواسم المشتركة بين هذين النوعين من الثقوب الدودية، ولكن هناك أيضًا اختلافات مهمة. والحقيقة هي أن الثقب الدودي داخل العالم، إذا كان موجودًا، يميل إلى التحول إلى آلة زمنية. في الواقع، على خلفية هذا الافتراض، نشأت موجة الاهتمام الأخيرة بالثقوب الدودية.

انطباع الفنان عن الثقب الدودي

©depositphotos.com

في حالة وجود ثقب دودي داخل العالم، هناك اثنان طرق مختلفةانظر إلى جارك: مباشرة عبر النفق أو بطريقة ملتوية. إذا بدأت في تحريك فم واحد من الثقب الدودي بالنسبة إلى الآخر، فوفقًا لمفارقة التوأم المعروفة، فإن الشخص الثاني، العائد من الرحلة، سيكون أصغر سنًا من الشخص المتبقي. من ناحية أخرى، عندما تنظر عبر النفق، فإنك تجلس في مختبرات ثابتة من وجهة نظرك، ولا يحدث لك أي شيء، وساعاتك متزامنة. وبالتالي، لديك الإمكانية النظرية للغوص في هذا النفق والخروج منه في لحظة تسبق، من وجهة نظر مراقب خارجي، اللحظة التي غطست فيها. سيؤدي التأخير إلى الدرجة المناسبة إلى ظهور إمكانية مثل هذه الرحلة الدائرية عبر الزمكان، عندما تعود إلى مكان انطلاقتك الأصلي وتصافح تجسدك السابق.

مفارقة التوأم هي تجربة فكرية تحاول "إثبات" عدم اتساق النظرية النسبية الخاصة. وفقًا لـ SRT، من وجهة نظر المراقبين "الثابتين"، فإن جميع العمليات في الأجسام المتحركة تتباطأ. ومن ناحية أخرى فإن مبدأ النسبية يعلن المساواة أنظمة القصور الذاتيالعد التنازلي. وعلى هذا يبنى تعليل يؤدي إلى التناقض الظاهر. من أجل الوضوح، تعتبر قصة شقيقين توأم. يذهب أحدهما (المسافر) في رحلة فضائية، والثاني (المنزل) يبقى على الأرض. في أغلب الأحيان، يتم صياغة "المفارقة" على النحو التالي:

من وجهة نظر بطاطس الأريكة، فإن ساعة المسافر المتحركة تكون في حركة بطيئة، لذلك عندما يعود، يجب أن تتأخر عن ساعة بطاطس الأريكة. ومن ناحية أخرى، كانت الأرض تتحرك بالنسبة للمسافر، لذا يجب أن تتأخر ساعة الأريكة. في الواقع، يتمتع الإخوة بحقوق متساوية، لذلك بعد العودة، يجب أن تظهر ساعاتهم نفس الوقت. ومع ذلك، وفقا لـSRT، فإن ساعة المسافر سوف تتخلف عن الركب. في هذا الانتهاك للتماثل الظاهري للأخوة، يظهر التناقض.

- ما هو الفرق الأساسي بين الثقب الدودي والثقب الأسود؟

بادئ ذي بدء، لا بد من القول أن هناك نوعين من الثقوب السوداء - تلك التي تشكلت نتيجة لانهيار النجوم، وتلك التي كانت موجودة في البداية، نشأت مع ظهور الكون نفسه. وهذان أمران أساسيان أنواع مختلفةالثقوب السوداء. في وقت ما، كان هناك مفهوم مثل "الثقب الأبيض"، ولكن الآن نادرا ما يستخدم. الثقب الأبيض هو نفس الثقب الأسود، لكنه يتطور إلى الوراء في الزمن. تطير المادة إلى الثقب الأسود، لكنها لا تستطيع الهروب من هناك أبدًا. على العكس من ذلك، فإن المادة تطير فقط من الثقب الأبيض، لكن من غير الممكن الدخول إليه بأي حال من الأحوال. في الواقع، هذا شيء طبيعي جدًا إذا تذكرنا أن النظرية النسبية العامة متماثلة في الزمن، مما يعني أنه إذا كان هناك ثقوب سوداء، فلا بد أن تكون هناك ثقوب بيضاء أيضًا. يمثل مجملها ثقبًا دوديًا.

ثقب أسود كما يتخيله فنان

© فيكتور هابيك فيجنز / SPL / جيتي

- ما الذي يعرف عن البنية الداخلية للثقوب الدودية؟

حتى الآن، يتم بناء النماذج بهذا المعنى فقط. فمن ناحية، نعلم أن مظهر هذه المادة الغريبة ربما تم اكتشافه ولو تجريبيا، لكن لا تزال هناك الكثير من الأسئلة. النموذج الوحيد الذي أعرفه من الثقب الدودي والذي يتوافق بشكل أو بآخر مع الواقع هو نموذج الثقب الدودي المتبخر في البداية (منذ نشأة الكون). وبسبب هذا التبخر، تظل هذه الحفرة صالحة للمرور لفترة طويلة.

- ما الذي تعمل عليه بالضبط؟

أنا أدرس بشكل نظيف النشاط النظري، ما يمكن تسميته عمومًا بالبنية السببية للزمكان هي النظرية النسبية الكلاسيكية، وأحيانًا شبه الكلاسيكية (نظرية الكم غير موجودة بعد، كما هو معروف).

في النظرية الكلاسيكية غير النسبية، يمكن للمرء أن يأتي بأدلة مقنعة إلى حد ما على أن السفر عبر الزمن لا يمكن أن يوجد، ولكن في النسبية العامة لا يوجد مثل هذا الدليل. وأينشتاين، عندما كان يطور نظريته للتو، أدرك ذلك. وتساءل عما إذا كانت هناك طريقة ما لاستبعاد هذا الاحتمال. ثم فشل في التعامل مع هذه المهمة، كما قال لاحقا. وعلى الرغم من أن أينشتاين ابتكر لغة لدراسة هذا السؤال، إلا أن المهمة ظلت أكاديمية. وقد زاد الاهتمام بها في أواخر الأربعينيات، عندما اقترح جودل نموذجًا كونيًا يحتوي على مثل هذه المنحنيات المغلقة. ولكن بما أن جودل كان يقترح دائمًا شيئًا غريبًا، فقد تم التعامل معه باهتمام، ولكن دون عواقب علمية خطيرة. وبعد ذلك، في مكان ما في نهاية القرن الماضي، وذلك بفضل الخيال العلمي بشكل رئيسي - على سبيل المثال، فيلم "الاتصال" مع جودي فوستر - تم إحياء الاهتمام بموضوع السفر عبر الزمن باستخدام الثقوب الدودية مرة أخرى. مؤلف الرواية التي كُتب عليها سيناريو الفيلم هو عالم الفلك الشهير ومروج العلوم كارل ساجان. لقد أخذ الأمر على محمل الجد وطلب من صديقه، وهو أيضًا عالم نسبي مشهور جدًا، كيب ثورن، معرفة ما إذا كان كل ما تم وصفه في الفيلم ممكنًا من وجهة نظر علمية. ونشر مقالاً شبه شعبي في مجلة لأساتذة الفيزياء الأمريكيين بعنوان “الثقوب الدودية كأداة لدراسة النظرية النسبية العامة”، حيث نظر في إمكانية السفر عبر الزمن عبر الثقوب الدودية. ويجب أن أقول أنه في ذلك الوقت كانت فكرة السفر عبر الثقوب السوداء شائعة في الخيال العلمي. لكنه فهم أن الثقب الأسود هو جسم غير قابل للعبور على الإطلاق - فالسفر عبره مستحيل، لذلك اعتبر الثقوب الدودية بمثابة إمكانية السفر عبر الزمن. على الرغم من أن هذا كان معروفًا من قبل، إلا أن الناس لسبب ما اعتبروا استنتاجاته فكرة جديدة تمامًا وسارعوا للتحقيق فيها. علاوة على ذلك، كان التركيز على افتراض أن آلة الزمن لا يمكن أن توجد، لكنهم قرروا معرفة السبب. وسرعان ما توصلنا إلى فهم أنه لا توجد اعتراضات واضحة على وجود مثل هذه الآلة. ومنذ ذلك الحين، بدأت الأبحاث على نطاق واسع وبدأت النظريات في الظهور. بشكل عام، لقد كنت أفعل هذا منذ ذلك الحين.

الاتصال هو فيلم خيال علمي تم إنتاجه عام 1997. المخرج: روبرت زيميكيس. القصة الرئيسية: كرست إيلي أرواي (جودي فوستر) حياتها كلها للعلم، وأصبحت مشاركة في مشروع للبحث عن ذكاء خارج كوكب الأرض. كل محاولات البحث عن إشارات خارج كوكب الأرض عقيمة، ومستقبل مشروعها في خطر. تشعر إيلي باليأس من العثور على الدعم، لكنها تتلقى المساعدة بشكل غير متوقع من الملياردير غريب الأطوار هادن. وهذه هي النتيجة - إيلي تلتقط الإشارة. يوضح فك تشفير الإشارة أنها تحتوي على وصف لجهاز تقني. الغرض منه غير واضح، لكن بداخله مساحة لشخص واحد.

بعد إنشاء الجهاز وإطلاقه، تنطلق إيلي في رحلة عبر نظام الثقب الدودي ويتم نقلها، على الأرجح، إلى كوكب في نظام نجمي آخر. عند الاستيقاظ هناك، على شاطئ البحر، تلتقي بممثل حضارة أخرى، الذي اختار صورة والدها الراحل. بالنظر حولها، تدرك البطلة أن هذه المنطقة قد تم إعادة إنشائها بواسطة عقل غريب في ذهنها على صورة رسم رسمته عندما كانت طفلة. يخبرها الكائن الفضائي أن الجهاز يجعل من الممكن تنظيم نظام من طرق الاتصال بين النجوم، وتصبح الأرض من الآن فصاعدًا عضوًا في مجتمع حضارات الكون.

تعود إيلي إلى الأرض. ومن وجهة نظر المراقبين الخارجيين، لم يحدث لها شيء بعد إطلاق التثبيت، ولم يغادر جسدها كوكبنا. تجد إيلي نفسها في موقف متناقض. كونها عالمة، من وجهة نظر العلم الصارم، لا يمكنها تأكيد كلماتها بأي شكل من الأشكال. ويتضح أيضًا ظرف آخر: كاميرا الفيديو الملحقة بإيلي أثناء الرحلة لم تسجل شيئًا، لكن مدة التسجيل الفارغ لم تكن بضع ثوانٍ، بل 18 ساعة...

- هل من الممكن "صنع" ثقب دودي؟

هناك نتيجة علمية صارمة حول هذا الموضوع. ويرجع ذلك إلى عدم وجود نتائج دقيقة لدراسة ثقوب الخلد. هناك نظرية تم إثباتها منذ زمن طويل، وتقول هذا. هناك شيء مثل المبالغة العالمية. في هذه الحالة، لا يهم على الإطلاق ما يعنيه ذلك، ولكن النقطة المهمة هي أنه في الوقت الحالي وبما أن الفضاء زائدي عالميًا، فمن المستحيل إنشاء ثقب دودي - يمكن أن يكون موجودًا في الطبيعة، لكنك لن تتمكن من ذلك لتجعلها بنفسك. إذا تمكنت من تعطيل المبالغة العالمية، فربما ستتمكن من إنشاء ثقب دودي. لكن الحقيقة هي أن هذا الانتهاك في حد ذاته أمر غريب، ولم تتم دراسته بشكل جيد وغير مفهوم بشكل جيد، لدرجة أن المنتج الثانوي في شكل ولادة ثقب دودي هو بالفعل شيء صغير نسبيًا مقارنة بحقيقة أنك تمكنت من ذلك لانتهاك المبالغة العالمية. هناك شيء مشهور جدًا في العمل هنا يسمى "مبدأ الرقابة الكونية الصارمة"، والذي يقول أن الفضاء دائمًا ما يكون زائديًا عالميًا. لكن هذا، من حيث المبدأ، ليس أكثر من مجرد أمنية. لا يوجد دليل على صحة هذا المبدأ، هناك ببساطة ثقة داخلية معينة متأصلة في كثير من الناس بأن الزمكان يجب أن يكون زائديًا عالميًا. إذا كان الأمر كذلك، فمن المستحيل إنشاء ثقب دودي - تحتاج إلى البحث عن ثقب موجود. وفي الوقت نفسه، أعرب المؤلف نفسه، روجر بنروز، عن شكوك شديدة حول صحة مبدأ الرقابة الكونية، لكن تلك قصة أخرى.

- إذن، يتطلب إنشاء ثقب دودي بعض الإنفاق الجاد على الطاقة؟

من الصعب جدًا قول أي شيء هنا. المشكلة هي أنه عندما يتم انتهاك المبالغة العالمية الخاصة بك، فإن القدرة على التنبؤ تنتهك أيضًا - وهذا هو نفس الشيء تقريبًا. يمكنك بطريقة ما تغيير المساحة القريبة منك بطريقة هندسية، على سبيل المثال، أخذ حقيبة ووضعها في مكان آخر. ولكن هناك حدودًا معينة يمكنك من خلالها القيام بذلك، ولا سيما الحد الذي تفرضه القدرة على التنبؤ. على سبيل المثال، في بعض الأحيان يمكنك معرفة ما سيحدث خلال ثانيتين، وأحيانًا لا يمكنك ذلك. إن خط ما يمكنك أو لا يمكنك التنبؤ به يكمن على وجه التحديد في المبالغة العالمية. إذا كان الزمكان الخاص بك زائديًا عالميًا، فيمكنك التنبؤ بتطوره. إذا افترضنا أنه في مرحلة ما ينتهك المبالغة العالمية، يصبح كل شيء سيئًا للغاية مع القدرة على التنبؤ. لذلك، ينشأ شيء مذهل، على سبيل المثال، بحيث يمكن أن يحدث هنا والآن ثقب دودي، من خلاله سيقفز الأسد. ستكون ظاهرة غريبة، لكنها لن تنتهك أي قوانين فيزيائية. من ناحية أخرى، يمكنك إنفاق الكثير من الجهد والمال والموارد لتسهيل هذه العملية بطريقة أو بأخرى. لكن النتيجة ستظل كما هي – في كلتا الحالتين لا تعرف ما إذا كان الثقب الدودي سيظهر أم لا. في الفيزياء الكلاسيكية، لا يمكننا فعل أي شيء حيال ذلك - إذا أراد ذلك، فسوف يظهر، وإذا لم يرغب، فلن يظهر - لكن علم الكم لا يعطينا أي أدلة حول هذه المسألة حتى الآن.

تمت صياغة مبدأ "الرقابة الكونية" في عام 1969 على يد روجر بنروز بالشكل المجازي التالي: "الطبيعة تمقت التفرد العاري". وتنص على أن التفردات الزمانية والمكانية تظهر في أماكن تكون مخفية عن المراقبين، مثل الأجزاء الداخلية للثقوب السوداء. لم يتم إثبات هذا المبدأ بعد، وهناك أسباب للشك في صحته المطلقة (على سبيل المثال، يؤدي انهيار سحابة غبار ذات زخم زاوي مرتفع إلى "التفرد العاري"، ولكن من غير المعروف ما إذا كان هذا الحل لمعادلات أينشتاين صحيحًا أم لا). مستقرة فيما يتعلق بالاضطرابات الصغيرة في البيانات الأولية).

تفترض صيغة بنروز (شكل قوي من أشكال الرقابة الكونية) أن الزمكان ككل هو زائدي عالميًا.

في وقت لاحق، اقترح ستيفن هوكينج صيغة مختلفة (شكل ضعيف من الرقابة الكونية)، والتي تفترض فقط المبالغة العالمية للعنصر "المستقبلي" للزمكان.

لنشر العمل مع المعادلات الأساسية للنسبية العامة (GR). وتبين فيما بعد أن نظرية الجاذبية الجديدة، التي يبلغ عمرها مائة عام في عام 2015، تتنبأ بوجود الثقوب السوداء والأنفاق الزمكانية. سوف يخبرك Lenta.ru عنهم.

ما هو جي تي أو

تعتمد النسبية العامة على مبادئ التكافؤ والتغاير العام. الأول (المبدأ الضعيف) يعني التناسب بين كتل القصور الذاتي (المرتبطة بالحركة) والجاذبية (المرتبطة بالجاذبية) ويسمح بـ ( مبدأ قوي) في منطقة محدودة من الفضاء، لا يمكن التمييز بين مجال الجاذبية والحركة المتسارعة. والمثال الكلاسيكي هو المصعد. معه الحركة المتسارعة بشكل موحدإلى أعلى بالنسبة للأرض، فإن الراصد الموجود فيها لا يستطيع تحديد ما إذا كان في مجال جاذبية أقوى أم أنه يتحرك في جسم من صنع الإنسان.

ويفترض المبدأ الثاني (التغاير العام) أن معادلات النسبية العامة تحتفظ بشكلها أثناء تحولات النظرية النسبية الخاصة، التي أنشأها أينشتاين وغيره من الفيزيائيين بحلول عام 1905. أدت أفكار التكافؤ والتغاير إلى الحاجة إلى النظر في زمكان واحد، وهو منحني في وجود الأجسام الضخمة. وهذا ما يميز النسبية العامة عن نظرية الجاذبية الكلاسيكية لنيوتن، حيث يكون الفضاء مسطحًا دائمًا.

النسبية العامة في أربعة أبعاد تشمل ستة أبعاد مستقلة المعادلات التفاضليةفي المشتقات الجزئية. لحلها (العثور على الشكل الواضح للموتر المتري الذي يصف انحناء الزمكان)، من الضروري تحديد شروط الحدود والإحداثيات، بالإضافة إلى موتر زخم الطاقة. يصف الأخير توزيع المادة في الفضاء، وعادة ما يرتبط بمعادلة الحالة المستخدمة في النظرية. بالإضافة إلى ذلك، تسمح معادلات النسبية العامة بإدخال ثابت كوني (مصطلح لامدا)، والذي غالبًا ما يرتبط بالطاقة المظلمة، وربما بالمجال العددي المقابل.

الثقوب السوداء

في عام 1916 الألمانية فيزيائي رياضيلقد وجد كارل شوارزشيلد الحل الأول لمعادلات النسبية العامة. فهو يصف مجال الجاذبية الناتج عن توزيع الكتلة المتماثل مركزيًا بقيمة صفر الشحنة الكهربائية. يحتوي هذا الحل على ما يسمى بنصف قطر الجاذبية للجسم، والذي يحدد حجم الجسم مع توزيع متماثل كرويًا للمادة، والتي لا تستطيع الفوتونات (الكمات التي تتحرك بسرعة الضوء) تركها حقل كهرومغناطيسي).

إن كرة شوارزشيلد المحددة بهذه الطريقة مطابقة لمفهوم أفق الحدث، والجسم الضخم الذي يحدها مطابق للثقب الأسود. إن تصور اقتراب جسم ما في إطار النسبية العامة يختلف باختلاف موضع الراصد. بالنسبة لراصد مرتبط بالجسم، فإن الوصول إلى مجال شوارزشيلد سيحدث في وقت محدد ومحدد. بالنسبة للمراقب الخارجي، فإن اقتراب الجسم من أفق الحدث سيستغرق قدرًا لا نهائيًا من الوقت وسيبدو مثل سقوطه غير المحدود على كرة شوارزشيلد.

كما ساهم علماء الفيزياء النظرية السوفييت في نظرية النجوم النيوترونية. في مقالته عام 1932 “حول نظرية النجوم”، تنبأ ليف لانداو بوجود نجوم نيوترونية، وفي عمله “حول مصادر الطاقة النجمية” الذي نشر عام 1938 في مجلة الطبيعة، اقترح وجود نجوم ذات نيوترون. جوهر.

كيف تتحول الأجسام الضخمة إلى ثقوب سوداء؟ تم تقديم الإجابة المحافظة والأكثر شهرة حاليًا على هذا السؤال في عام 1939 من قبل الفيزيائيين النظريين روبرت أوبنهايمر (في عام 1943 أصبح المدير العلمي لمشروع مانهاتن، الذي تم في إطاره أول مشروع في العالم). قنبلة ذرية) وطالب الدراسات العليا هارتلاند سنايدر.

في ثلاثينيات القرن العشرين، أصبح علماء الفلك مهتمين بمسألة مستقبل النجم إذا نفد وقوده النووي. بالنسبة للنجوم الصغيرة مثل الشمس، سيؤدي التطور إلى التحول إلى أقزام بيضاء، حيث تتم موازنة قوة ضغط الجاذبية مع التنافر الكهرومغناطيسي للبلازما النووية النووية. بالنسبة للنجوم الأثقل، تبين أن الجاذبية أقوى من الكهرومغناطيسية، وتنشأ نجوم نيوترونية. ويتكون قلب هذه الأجسام من سائل النيوترون، وتغطيه طبقة بلازما رقيقة من الإلكترونات والنوى الثقيلة.

الصورة: أخبار الشرق

تم تقدير القيمة المحددة لكتلة القزم الأبيض، والتي تمنعه ​​من التحول إلى نجم نيوتروني، لأول مرة في عام 1932 من قبل عالم الفيزياء الفلكية الهندي سوبرامانيان شاندراسيخار. يتم حساب هذه المعلمة من حالة التوازن للمنحط غاز الإلكترونوقوى الجاذبية. المعنى الحديثويقدر حد شاندراسيخار بـ 1.4 كتلة شمسية.

الحد الأعلى لكتلة النجم النيوتروني الذي لا يتحول عنده إلى ثقب أسود يسمى حد أوبنهايمر-فولكوف. يتم تحديده من حالة التوازن بين ضغط غاز النيوترون المنحل وقوى الجاذبية. وفي عام 1939 حصلوا على قيمة 0.7 كتلة شمسية، التقديرات الحديثةتختلف من 1.5 إلى 3.0.

ثقب الخلد

من الناحية المادية، الثقب الدودي عبارة عن نفق يربط بين منطقتين بعيدتين من الزمكان. قد تكون هذه المناطق في نفس الكون أو متصلة نقاط مختلفةأكوان مختلفة (ضمن مفهوم الكون المتعدد). اعتمادا على إمكانية العودة من خلال الحفرة، يتم تقسيمها إلى سالكة وغير سالكة. تنغلق الثقوب غير القابلة للعبور بسرعة وتمنع المسافر المحتمل من القيام برحلة العودة.

من وجهة نظر رياضية، الثقب الدودي هو كائن افتراضي تم الحصول عليه كحل خاص غير مفرد (محدود وله معنى فيزيائي) لمعادلات النسبية العامة. عادة، يتم تصوير الثقوب الدودية على أنها سطح منحني ثنائي الأبعاد. يمكنك الانتقال من جانب إلى آخر إما بالطريقة المعتادة أو عبر النفق الذي يربط بينهما. في الحالة المرئية للمساحة ثنائية الأبعاد، يمكن ملاحظة أن هذا يسمح لك بتقليل المسافة بشكل كبير.

في البعدين، تتشكل أعناق الثقب الدودي -الثقوب التي يبدأ منها النفق وينتهي منها- على شكل دائرة. في الأبعاد الثلاثة، تبدو رقبة الثقب الدودي وكأنها كرة. تتشكل مثل هذه الأجسام من متفردين في مناطق مختلفة من الزمكان، والتي في الفضاء الفائق (الفضاء ذو ​​البعد الأعلى) يتم سحبها نحو بعضها البعض لتشكل فجوة. نظرًا لأن الثقب عبارة عن نفق زماني، فيمكنك السفر عبره ليس فقط في الفضاء، ولكن أيضًا في الزمن.

كان لودفيج فلام أول من قدم حلولاً لمعادلات النسبية العامة من نوع الثقب الدودي في عام 1916. عمله الذي وصف ثقبًا دوديًا برقبة كروية دون مادة تنجذب، لم يجذب انتباه العلماء. في عام 1935، وجد أينشتاين والفيزيائي النظري الأمريكي الإسرائيلي ناثان روزين، اللذين لم يكونا على دراية بعمل فلام، حلًا مشابهًا لمعادلات النسبية العامة. لقد كانوا مدفوعين في هذا العمل بالرغبة في الجمع بين الجاذبية والكهرومغناطيسية والتخلص من تفردات حل شوارزشيلد.

في عام 1962، أظهر الفيزيائيان الأمريكيان جون ويلر وروبرت فولر أن ثقب فلام الدودي وجسر أينشتاين-روزين ينهاران بسرعة، وبالتالي لا يمكن عبورهما. تم اقتراح الحل الأول لمعادلات النسبية العامة من خلال ثقب دودي يمكن عبوره في عام 1986 من قبل الفيزيائي الأمريكي كيب ثورن. يمتلئ ثقبه الدودي بمادة ذات كثافة كتلة متوسطة سالبة، مما يمنع النفق من الإغلاق. ولا تزال الجسيمات الأولية التي تتمتع بمثل هذه الخصائص غير معروفة للعلم. من المحتمل أن يكونوا جزءًا من المادة المظلمة.

الجاذبية اليوم

يعد حل شوارزشيلد هو الأبسط بالنسبة للثقوب السوداء. لقد تم الآن وصف الثقوب السوداء الدوارة والمشحونة. تسلسلي النظرية الرياضيةتم تطوير نظرية الثقوب السوداء والتفردات المرتبطة بها في أعمال عالم الرياضيات والفيزياء البريطاني روجر بنروز. في عام 1965، نشر بحثًا في مجلة Physical Review Letters بعنوان "انهيار الجاذبية وتفردات الزمكان".

وهو يصف تكوين ما يسمى بسطح المصيدة، مما يؤدي إلى تطور النجم إلى ثقب أسود وظهور التفرد - وهي سمة من سمات الزمكان حيث تعطي معادلات النسبية العامة حلولا غير صحيحة من نقطة فيزيائية من الرأي. تعتبر نتائج بنروز أول نتيجة رياضية دقيقة للنسبية العامة.

بعد فترة وجيزة، أظهر العالم مع البريطاني ستيفن هوكينج أنه في الماضي البعيد كان الكون في حالة ذات كثافة كتلة لا حصر لها. إن التفردات التي تنشأ في النسبية العامة والموصوفة في أعمال بنروز وهوكينج لا يمكن تفسيرها في الفيزياء الحديثة. ويؤدي هذا على وجه الخصوص إلى استحالة وصف الطبيعة قبل الانفجار الكبير دون الحاجة إلى فرضيات ونظريات إضافية، مثل ميكانيكا الكم ونظرية الأوتار. إن تطوير نظرية الثقوب الدودية مستحيل حاليًا بدون ميكانيكا الكم.

قدمت مجموعة من علماء الفيزياء من ألمانيا واليونان تحت القيادة العامة لبوركهارد كلايهاوس نظرة جديدة بشكل أساسي على المشكلة الثقوب الدودية. هذا ما يطلقون عليه كائنات افتراضية حيث يحدث انحناء المكان والزمان.

ويُعتقد أنها أنفاق يمكن من خلالها السفر إلى عوالم أخرى في لحظة واحدة.

الثقوب الدودية، أو الثقوب الدودية، كما يطلق عليها أيضًا، معروفة لكل محبي الخيال العلمي، حيث يتم وصف هذه الأشياء بشكل واضح للغاية ومثير للإعجاب (على الرغم من أنها تسمى في كثير من الأحيان الفضاء الصفري). وبفضلهم يستطيع الأبطال الانتقال من مجرة ​​إلى أخرى في وقت قصير جدًا. وقت قصير. أما بالنسبة للثقوب الدودية الحقيقية، فإن الوضع معهم أكثر تعقيدًا. لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت موجودة بالفعل، أو ما إذا كان هذا كله نتيجة للخيال الجامح لعلماء الفيزياء النظرية.

وفقا لوجهات النظر التقليدية، الثقوب الدودية هي بعض الخصائص الافتراضية لكوننا، أو بالأحرى، المكان والزمان. وفقًا لمفهوم جسر أينشتاين-روزن، في كل لحظة من الزمن، يمكن أن تظهر أنفاق معينة في كوننا، والتي من خلالها يمكنك الانتقال من نقطة في الفضاء إلى أخرى على الفور تقريبًا (أي دون إضاعة الوقت).

يبدو أنه يمكنك الانتقال الفوري بمساعدتهم إلى محتوى قلبك! ولكن هنا تكمن المشكلة: أولاً، هذه الثقوب الدودية صغيرة للغاية (فقط الجسيمات الأولية يمكنها التجول بسهولة عبرها)، وثانيًا، أنها موجودة لفترة قصيرة للغاية، جزء من المليون من الثانية. ولهذا السبب من الصعب للغاية دراستها - حتى الآن، لم يتم تأكيد جميع نماذج الثقوب الدودية تجريبيًا.

ومع ذلك، لا يزال لدى العلماء فكرة عما يمكن أن يكون داخل مثل هذا النفق (على الرغم من أنه، للأسف، هو أيضًا أمر نظري فقط). يُعتقد أن كل شيء هناك مليء بما يسمى بالمادة الغريبة (يجب عدم الخلط بينه وبين المادة المظلمة، فهذه أمور مختلفة). وقد حصلت هذه المادة على لقبها لأنها تتكون من جسيمات أولية مختلفة بشكل أساسي. ولهذا السبب، لا يتم ملاحظة معظم القوانين الفيزيائية - على وجه الخصوص، يمكن أن يكون للطاقة كثافة سلبية، وقوة الجاذبية لا تجتذب، ولكنها تصد الأشياء، وما إلى ذلك. بشكل عام، داخل النفق كل شيء مختلف تماما عن أناس عادييون. لكن هذه المادة غير المنتظمة على وجه التحديد هي التي توفر هذا الانتقال المعجزة للغاية عبر الثقب الدودي.

في واقع الأمر، فإن النظرية النسبية العامة الشهيرة لأينشتاين مخلصة جدًا لاحتمال وجود الثقوب الدودية - فهي لا تدحض وجود مثل هذه الأنفاق (رغم أنها لا تؤكد ذلك). حسنًا، ما ليس محرمًا فهو، كما نعلم، حلال. لذلك، يحاول العديد من علماء الفيزياء الفلكية منذ منتصف القرن الماضي بنشاط العثور على آثار لبعض الثقوب الدودية المستقرة إلى حد ما على الأقل.

بالمعنى الدقيق للكلمة، يمكن فهم مصلحتهم - إذا اتضح أن مثل هذا النفق ممكن من حيث المبدأ، فإن السفر عبره إلى عوالم بعيدة سيصبح أمرًا بسيطًا للغاية (بالطبع، بشرط أن يكون الثقب الدودي ليس بعيدًا عن النظام الشمسي). ومع ذلك، فإن البحث عن هذا الكائن معقد بسبب حقيقة أن العلماء ما زالوا، بالمعنى الدقيق للكلمة، لا يفهمون تمامًا ما الذي يجب البحث عنه بالضبط. في الواقع، من المستحيل رؤية هذا الثقب مباشرة، لأنه، مثل الثقوب السوداء، يمتص كل شيء (بما في ذلك الإشعاع)، لكنه لا يطلق أي شيء. نحن بحاجة إلى بعض العلامات غير المباشرة على وجودها، ولكن السؤال هو: ما هو بالضبط؟

ومؤخرا، قدمت مجموعة من علماء الفيزياء من ألمانيا واليونان، تحت القيادة العامة لبوركهارد كلايهاوس من جامعة أولدنبورغ (ألمانيا)، من أجل تخفيف معاناة علماء الفيزياء الفلكية، نظرة جديدة بشكل أساسي على مشكلة الثقوب الدودية. هؤلاء من وجهة نظرهم يمكن أن توجد الأنفاق بالفعل في الكون وتكون مستقرة تمامًا. ووفقاً لمجموعة كلايهاوس، لا توجد مادة غريبة بداخلها.

يعتقد العلماء أن ظهور الثقوب الدودية كان سببه التقلبات الكمومية التي كانت مميزة للكون المبكر بعد الانفجار الكبير مباشرة تقريبًا وأدت إلى ظهور ما يسمى بالرغوة الكمومية. دعني أذكرك بذلك رغوة الكمهو نوع من المفهوم الشرطي الذي يمكن استخدامه كوصف نوعي لاضطراب الزمان والمكان دون الذري على مسافات قصيرة جدًا (بترتيب طول بلانك، أي مسافة 10 -33 سم).

بالمعنى المجازي، يمكن تخيل الرغوة الكمومية على النحو التالي: تخيل أنه في مكان ما خلال فترات زمنية قصيرة جدًا، في مناطق صغيرة جدًا من الفضاء، يمكن أن تظهر الطاقة الكافية لتحويل هذه القطعة من الفضاء إلى ثقب أسود تلقائيًا. وهذه الطاقة لا تظهر من العدم فحسب، بل تظهر نتيجة اصطدام الجسيمات بالجسيمات المضادة وفنائها المتبادل. وبعد ذلك سيظهر أمام أعيننا نوع من المرجل المغلي، حيث تظهر الثقوب السوداء بشكل مستمر وتختفي على الفور.

لذلك، وفقا لمؤلفي الدراسة، مباشرة بعد الانفجار الكبير، كان كوننا يتكون بالكامل من الرغوة الكمومية.. ويقومون فيها في كل لحظة من الزمن ليس فقط الثقوب السوداء، ولكن أيضًا الثقوب الدودية. وبعد ذلك، لا ينبغي لتضخم الكون (أي التوسع) أن يؤدي إلى تضخيمه إلى أحجام هائلة فحسب، بل يجب أيضًا في نفس الوقت زيادة الثقوب بشكل حاد وجعلها مستقرة. لدرجة أنه أصبح من الممكن حتى للأجسام الكبيرة أن تخترقها.

ومع ذلك، هناك صيد واحد هنا. والحقيقة هي أنه على الرغم من أن الأجسام الكبيرة، وفقًا لهذا النموذج، يمكنها الدخول إلى الثقب الدودي، إلا أن تأثير الجاذبية عليها عند الدخول يجب أن يكون صغيرًا جدًا. وإلا فسوف يتم تمزيقها ببساطة إلى قطع. ولكن إذا كان انحناء الزمكان عند المدخل "سلسًا"، فإن الرحلة عبره نفسها لا يمكن أن تكون لحظية. وسيستغرق الأمر، بحسب حسابات الباحثين، عشرات أو حتى مئات السنين الضوئية، لأن الخروج من الثقب الدودي، الذي يمكن لجسم كبير الوصول إليه، سيكون بعيدًا جدًا عن المدخل.

ويعتقد الباحثون أن اكتشاف هذه الأجسام في الكون، رغم أنه ليس سهلا، لا يزال ممكنا. وعلى الرغم من أنها قد تكون مشابهة للثقوب السوداء، إلا أنه لا تزال هناك اختلافات. على سبيل المثال، في الثقب الأسود، يتوقف الغاز الذي يقع خارج أفق الحدث على الفور عن إصدار الأشعة السينية، بينما يستمر الغاز الذي يسقط في الثقب الدودي (الذي ليس له أفق الحدث) في القيام بذلك. بالمناسبة، تم مؤخرًا تسجيل سلوك مماثل للغاز بواسطة تلسكوب هابل بالقرب من الجسم القوس A*، والذي يعتبر تقليديًا ثقبًا أسود ضخمًا. لكن بالحكم على سلوك الغاز، قد يكون ثقبًا دوديًا مستقرًا.

وبحسب مفهوم مجموعة كلايهاوس، قد تكون هناك علامات أخرى تشير إلى وجود الثقوب الدودية. من الناحية النظرية، من الممكن أن نتخيل موقفا حيث سيلاحظ علماء الفلك مباشرة عدم كفاية الصورة خلف الثقب الدودي، إذا تحول التلسكوب بطريق الخطأ إلى قطاعه من السماء المرصعة بالنجوم. وفي هذه الحالة ستظهر صورة على بعد عشرات أو مئات السنين الضوئية، والتي يمكن لعلماء الفلك تمييزها بسهولة عما يجب أن يكون في هذا المكان بالفعل. يمكن أيضًا لجاذبية النجم (إذا كان على الجانب الآخر من الثقب الدودي) أن تشوه ضوء النجوم البعيدة التي تمر بالقرب من الثقب الدودي.

تجدر الإشارة إلى أن عمل الفيزيائيين اليونانيين والألمان، على الرغم من كونه نظريًا بحتًا، إلا أنه مهم جدًا لعلماء الفلك. إنها تنظم كل شيء لأول مرة العلامات المحتملةالثقوب الدودية التي يمكن ملاحظتها. وهذا يعني أنه يمكن اكتشاف هذه الأنفاق بالاسترشاد بها. وهذا يعني أن العلماء يعرفون الآن ما الذي يحتاجون إلى البحث عنه بالضبط.

على الرغم من أنه، من ناحية أخرى، إذا كان نموذج مجموعة كلايهاوس صحيحًا، فإن قيمة الثقوب الدودية بالنسبة للبشرية تنخفض بشكل حاد. بعد كل شيء، فهي لا توفر الانتقال الفوري إلى عوالم أخرى. رغم أنه، بالطبع، لا يزال يتعين عليك دراسة خصائصها في حال كانت مفيدة لشيء آخر...