في سلسلة من الأوراق البحثية الخارقة ، اقترب علماء الفيزياء النظرية بشكل محير من حل مفارقة معلومات الثقب الأسود التي شغلتهم وأفسدتهم لما يقرب من 50 عامًا. يقولون الآن بثقة إن المعلومات تفلت من الثقب الأسود. إذا قفزت إلى واحدة ، فلن تذهب إلى الأبد. جسيمًا جسيمًا ، ستظهر المعلومات اللازمة لإعادة تكوين جسمك. لطالما افترض معظم الفيزيائيين أن الأمر كذلك. كانت هذه نتيجة نظرية الأوتار ، مرشحهم الرئيسي لنظرية موحدة عن الطبيعة. ولكن الحسابات الجديدة ، على الرغم من أنها مستوحاة من نظرية الأوتار ، إلا أنها قائمة بذاتها ، مع وجود وتر في الأفق. تخرج المعلومات من خلال عمل الجاذبية نفسها - مجرد جاذبية عادية مع طبقة واحدة من التأثيرات الكمومية.

هذا هو انعكاس دور غريب للجاذبية. وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، فإن جاذبية الثقب الأسود شديدة جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء الهروب منها. إن الفهم الأكثر تعقيدًا للثقوب السوداء الذي طوره ستيفن هوكينج وزملاؤه في السبعينيات لم يشكك في هذا المبدأ. سعى هوكينج وآخرون إلى وصف المادة داخل وحول الثقوب السوداء باستخدام نظرية الكم ، لكنهم استمروا في وصف الجاذبية باستخدام نظرية أينشتاين الكلاسيكية - وهو نهج هجين يسميه الفيزيائيون "شبه الكلاسيكي". على الرغم من أن الطريقة تنبأت بتأثيرات جديدة في محيط الحفرة ، إلا أن الجزء الداخلي ظل مغلقًا تمامًا. اكتشف الفيزيائيون أن هوكينغ قد أتقن الحساب شبه الكلاسيكي. أي تقدم إضافي يجب أن يتعامل مع الجاذبية على أنها كم.

هذا ما يجادله مؤلفو الدراسات الجديدة. لقد وجدوا تأثيرات شبه كلاسيكية إضافية - تكوينات جاذبية جديدة تسمح بها نظرية أينشتاين ، لكن هوكينج لم يتضمنها. عند كتم الصوت في البداية ، تسود هذه التأثيرات عندما يصبح الثقب الأسود قديمًا للغاية. الثقب يتحول من مملكة ناسك إلى نظام مفتوح بقوة. لا تتسرب المعلومات فحسب ، بل إن أي شيء جديد يقع فيه يتقيأ على الفور تقريبًا. لم تشرح النظرية شبه الكلاسيكية المنقحة بعد كيفية خروج المعلومات بالضبط ، ولكن هذه هي وتيرة الاكتشاف في العامين الماضيين حتى أن المنظرين لديهم بالفعل تلميحات حول آلية الهروب.

قال أحد المؤلفين المشاركين ، "هذا هو الشيء الأكثر إثارة الذي حدث في هذا الموضوع ، على ما أعتقد ، منذ هوكينج" ، دونالد مارولف من جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا.

قال "إنها عملية حسابية تاريخية" إيفا سيلفرشتاين من جامعة ستانفورد ، وهو فيزيائي نظري رائد لم يشارك بشكل مباشر.

قد تتوقع أن يحتفل المؤلفون ، لكنهم يقولون إنهم يشعرون أيضًا بالإحباط. لو كان الحساب يتضمن سمات عميقة للجاذبية الكمومية بدلاً من الغبار الخفيف ، فقد يكون من الصعب سحبها ، ولكن بمجرد إنجاز ذلك ، كان من الممكن أن يضيء تلك الأعماق. لذا فهم قلقون من أنهم ربما يكونون قد حلوا هذه المشكلة دون تحقيق الإغلاق الأوسع الذي سعوا إليه. "كان الأمل ، إذا تمكنا من الإجابة على هذا السؤال - إذا كان بإمكاننا رؤية المعلومات تخرج - للقيام بذلك كان علينا التعرف على النظرية المجهرية ،" جيف بينينغتون من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، في إشارة إلى نظرية الكم الكاملة للجاذبية.

تتم مناقشة ما يعنيه كل ذلك بشكل مكثف في مكالمات Zoom والندوات عبر الإنترنت. العمل رياضي للغاية وله جودة Rube Goldberg ، حيث يجمع بين خدعة حسابية واحدة تلو الأخرى بطريقة يصعب تفسيرها. الثقوب الدودية ، المبدأ الهولوغرافي ، الزمكان الناشئ ، التشابك الكمومي ، الحواسيب الكمومية: يظهر كل مفهوم تقريبًا في الفيزياء الأساسية هذه الأيام ، مما يجعل الموضوع آسرًا ومربكًا.

ولم يقتنع الجميع. لا يزال البعض يعتقد أن هوكينغ قد فهم الأمر بشكل صحيح وأن نظرية الأوتار أو فيزياء جديدة أخرى يجب أن تلعب دورًا إذا كانت المعلومات ستهرب. "أنا أقاوم بشدة الأشخاص الذين يأتون ويقولون ،" لدي حل في ميكانيكا الكم والجاذبية فقط ، " نيك وارنر من جامعة جنوب كاليفورنيا. "لأنه أخذنا في دوائر من قبل."

لكن يبدو أن الجميع تقريبًا يتفقون على شيء واحد. بطريقة أو بأخرى ، يبدو أن الزمكان نفسه ينهار عند ثقب أسود ، مما يعني أن الزمكان ليس هو المستوى الجذري للواقع ، ولكنه هيكل ناشئ من شيء أعمق. على الرغم من أن أينشتاين تصور الجاذبية على أنها هندسة الزمكان ، فإن نظريته تستلزم أيضًا تفكك الزمكان ، وهذا هو السبب في نهاية المطاف في قدرة المعلومات على الهروب من سجن الجاذبية.

المنحنى يصبح المفتاح

في 1992، دون الصفحة وعائلته يقضون عطلة عيد الميلاد في منزلهم في باسادينا ، يستمتعون بحمام السباحة ويشاهدون روز باراد. استخدم بيج ، وهو فيزيائي في جامعة ألبرتا في كندا ، الاستراحة للتفكير في مدى التناقض الحقيقي للثقوب السوداء. أولى دراساته عن الثقوب السوداء ، عندما كان طالب دراسات عليا في السبعينيات ، كانت المفتاح لمستشاره إدراك ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء تنبعث منها إشعاعات - نتيجة لعمليات كمومية عشوائية على حافة الثقب. ببساطة ، ثقب أسود يتعفن من الخارج إلى الداخل.

يبدو أن الجسيمات التي تسقطها لا تحمل أي معلومات حول المحتويات الداخلية. إذا سقط رائد فضاء يبلغ وزنه 100 كيلوغرام ، فإن الثقب يزداد حجمه بمقدار 100 كيلوغرام. ومع ذلك ، عندما يصدر الثقب ما يعادل 100 كيلوغرام من الإشعاع ، فإن هذا الإشعاع يكون غير منظم تمامًا. لا شيء بخصوص الإشعاع يكشف ما إذا كان مصدره رائد فضاء أو قطعة من الرصاص.

هذه مشكلة لأن الثقب الأسود ، في مرحلة ما ، يُصدر أونصته الأخيرة ويتوقف عن الوجود. كل ما تبقى هو سحابة كبيرة غير متبلورة من الجسيمات تتدفق هنا وهناك بشكل عشوائي. سيكون من المستحيل استعادة كل ما وقع فيه. وهذا يجعل تشكيل الثقوب السوداء وتبخرها عملية لا رجعة فيها ، والتي يبدو أنها تتحدى قوانين ميكانيكا الكم.

قبل هوكينج ومعظم المنظرين الآخرين في ذلك الوقت هذا الاستنتاج - إذا كانت اللارجعة قد انتهكت قوانين الفيزياء كما فهمت بعد ذلك ، فسيكون أسوأ بكثير بالنسبة لتلك القوانين. لكن بيج كان مضطربًا ، لأن اللارجعة ستكون كذلك انتهاك التناظر الأساسي للوقت. في عام 1980 قطع مع مستشاره السابق و جادل أن الثقوب السوداء يجب أن تطلق أو على الأقل تحافظ على المعلومات. تسبب ذلك في حدوث انشقاق بين علماء الفيزياء. قال بيج: "معظم النسبيين العامين الذين تحدثت معهم يتفقون مع هوكينج". "لكن علماء فيزياء الجسيمات يميلون إلى الاتفاق معي."

في إجازته في باسادينا ، أدرك بيج أن كلا المجموعتين قد فاتتهما نقطة مهمة. لم يكن اللغز مجرد ما يحدث في نهاية حياة الثقب الأسود ، ولكن أيضًا ما أدى إليه.

لقد اعتبر جانبًا من العملية تم إهماله نسبيًا: التشابك الكمي. يحافظ الإشعاع المنبعث على ارتباط ميكانيكي كم بمكان منشأه. إذا قمت بقياس الإشعاع أو الثقب الأسود من تلقاء نفسه ، فسيبدو عشوائيًا ، ولكن إذا أخذتهما معًا في الاعتبار ، فسيظهران نمطًا. إنه يشبه تشفير بياناتك بكلمة مرور. البيانات بدون كلمة المرور هراء. كلمة المرور ، إذا اخترت كلمة مرور جيدة ، لا معنى لها أيضًا. لكنهم معًا يفتحون المعلومات. ربما يعتقد بيج أن المعلومات يمكن أن تخرج من الثقب الأسود في شكل مشفر مماثل.

قام بيج بحساب ما يعنيه ذلك بالنسبة للمقدار الإجمالي للتشابك بين الثقب الأسود والإشعاع ، وهي كمية تُعرف باسم إنتروبيا التشابك. في بداية العملية برمتها ، يكون إنتروبيا التشابك صفرًا ، نظرًا لأن الثقب الأسود لم يصدر بعد أي إشعاع يتشابك معه. في نهاية العملية ، إذا تم الاحتفاظ بالمعلومات ، يجب أن تعود إنتروبيا التشابك إلى الصفر مرة أخرى ، حيث لم يعد هناك ثقب أسود. قال بيج: "شعرت بالفضول حول كيفية تغير الإنتروبيا الإشعاعية بينهما".

في البداية ، مع تدفق الإشعاع ، تنمو إنتروبيا التشابك. سببت الصفحة أن هذا الاتجاه يجب أن ينعكس. يجب أن يتوقف الانتروبيا عن الارتفاع ويبدأ في الانخفاض إذا كان سيصل إلى الصفر عند نقطة النهاية. بمرور الوقت ، يجب أن تتبع إنتروبيا التشابك منحنى على شكل حرف V.

حسب بيج أن هذا الانعكاس يجب أن يحدث تقريبًا في منتصف العملية ، في لحظة تُعرف الآن باسم وقت الصفحة. هذا أقدم بكثير مما افترضه علماء الفيزياء. لا يزال الثقب الأسود هائلاً في تلك المرحلة - وبالتأكيد لا يوجد مكان قريب من الحجم دون الذري الذي ستظهر فيه أي تأثيرات غريبة مفترضة. يجب أن تظل قوانين الفيزياء المعروفة سارية. ولا يوجد في هذه القوانين ما يثني المنحنى لأسفل.

مع ذلك ، أصبحت المشكلة أكثر حدة. اعتقد الفيزيائيون دائمًا أن نظرية الجاذبية الكمومية لا تدخل حيز التنفيذ إلا في المواقف المتطرفة جدًا بحيث تبدو سخيفة ، مثل انهيار نجم إلى نصف قطر البروتون. أخبرهم الآن بيج أن الجاذبية الكمية مهمة في ظل ظروف ، في بعض الحالات ، يمكن مقارنتها بتلك الموجودة في مطبخك.

تحليل الصفحة يبرر وصف مشكلة معلومات الثقب الأسود بأنها مفارقة بدلاً من مجرد لغز. كشفت عن تعارض داخل التقريب شبه الكلاسيكي. "يبدو أن مفارقة Page-time تشير إلى انهيار فيزياء الطاقة المنخفضة في مكان لا يوجد فيه نشاط تجاري ينهار ، لأن الطاقات لا تزال منخفضة ،" ديفيد والاس، فيلسوف الفيزياء بجامعة بيتسبرغ.

على الجانب المشرق ، مهد توضيح بيج للمشكلة الطريق إلى الحل. لقد أثبت أنه إذا اتبعت إنتروبيا التشابك منحنى الصفحة ، فإن المعلومات تخرج من الثقب الأسود. وبذلك ، قام بتحويل النقاش إلى حساب. قال "الفيزيائيون ليسوا دائمًا بارعين في الكلمات" أندرو سترومينجر من جامعة هارفارد. "نحن نعمل بشكل أفضل مع المعادلات الدقيقة."

الآن كان على الفيزيائيين فقط حساب إنتروبيا التشابك. إذا تمكنوا من حلها ، فسيحصلون على إجابة مباشرة. هل يتبع إنتروبيا التشابك حرف V مقلوب أم لا؟ إذا حدث ذلك ، فإن الثقب الأسود يحافظ على المعلومات ، مما يعني أن علماء فيزياء الجسيمات كانوا على حق. إذا لم يحدث ذلك ، فإن الثقب الأسود يدمر المعلومات أو يخزنها ، ويمكن للنسبويين العامين مساعدة أنفسهم في الحصول على أول كعكة في اجتماعات أعضاء هيئة التدريس.

ومع ذلك ، على الرغم من أن بيج أوضح ما يتعين على الفيزيائيين فعله ، فقد استغرق الأمر ما يقرب من ثلاثة عقود من المنظرين لمعرفة كيفية القيام بذلك.

الثقب الأسود من الداخل إلى الخارج

على مدى العامين الماضيين ، أظهر الفيزيائيون أن إنتروبيا التشابك للثقوب السوداء تتبع بالفعل منحنى الصفحة ، مما يشير إلى أن المعلومات تخرج. قاموا بالتحليل على مراحل. أولاً ، أظهروا كيف ستعمل باستخدام رؤى من نظرية الأوتار. بعد ذلك ، في أوراق نُشرت في الخريف الماضي ، قام الباحثون بقطع الحبل بنظرية الأوتار تمامًا.

بدأ العمل بجدية في أكتوبر 2018 ، عندما أحمد المهيري من معهد الدراسات المتقدمة وضعت إجراء لدراسة كيفية تبخر الثقوب السوداء. المهيري ، وانضم إليه قريبًا عدد من زملائه ، تطبيق مفهوم تم تطويره لأول مرة بواسطة خوان مالداسينا، الآن في IAS ، في عام 1997. (Penington كان العمل بالتوازي.)

تخيل كونًا مغطى بحدود مثل كرة ثلجية. بصرف النظر عن وجود جدار كبير حوله ، فإن الداخل يشبه في الأساس كوننا: لديه الجاذبية والمادة وما إلى ذلك. الحدود ، أيضًا ، هي نوع من الكون. ليس لديها جاذبية ، وكونها مجرد سطح ، فإنها تفتقر إلى العمق. لكنها تعوض عن ذلك بفيزياء الكم النابضة بالحياة ، وبشكل عام فهي معقدة تمامًا مثل الداخل. على الرغم من اختلاف هذين العالمين ، إلا أنهما متطابقان تمامًا. كل شيء في الداخل ، أو "الجزء الأكبر" ، له نظير على الحدود. وعلى الرغم من أن هندسة الجزء الأكبر تختلف عن هندسة كوننا ، فإن ازدواجية "AdS / CFT" هذه كانت الملعب المفضل لمنظري الأوتار منذ أن قدمها مالداسينا.

وفقًا لمنطق هذه الازدواجية ، إذا كان لديك ثقب أسود في الكتلة ، فسيكون له محاكاة على الحدود. نظرًا لأن الحدود تحكمها فيزياء الكم دون مضاعفات الجاذبية ، فإنها تحافظ بشكل لا لبس فيه على المعلومات. لذلك يجب أن يكون الثقب الأسود.

عندما شرع الباحثون في تحليل كيفية تبخر الثقوب السوداء في AdS / CFT ، كان عليهم أولاً التغلب على مشكلة بسيطة: في AdS / CFT ، لا تتبخر الثقوب السوداء في الواقع. يملأ الإشعاع الحجم المحصور مثل البخار في قدر الضغط ، وأيًا كان ما ينبعث من الفتحة فإنه يتم امتصاصه في النهاية. قال "النظام سيصل إلى حالة مستقرة" خورخي فاريلاس دا روشا، عالم فيزياء نظرية في معهد جامعة لشبونة.

ولمعالجة ذلك تبنى المهيري وزملاؤه اقتراح لروشا لوضع ما يعادل صمام بخار على الحدود لنزيف الإشعاع ومنعه من السقوط مرة أخرى. "إنه يمتص الإشعاع ،" نيتا إنجلهاردت من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أحد المؤلفين المشاركين للمهيري. قطع الباحثون ثقبًا أسودًا في وسط الفضاء الضخم ، وبدأوا ينزفون من الإشعاع ، وشاهدوا ما حدث.

لتتبع إنتروبيا التشابك للثقب الأسود ، قاموا برسم فهم أكثر دقة لـ AdS / CFT أن إنجلهاردت وغيره ، بما في ذلك آرون وول في جامعة كامبردج في العقد الماضي. يستطيع الفيزيائيون الآن تحديد أي جزء من الكتلة يتوافق مع أي جزء من الحدود ، وما هي خصائص الكتلة التي تتوافق مع خصائص الحدود.

مفتاح الربط بين جانبي الازدواجية هو ما يسميه الفيزيائيون السطح الكمي المتطرف. (هذه الأسطح هي ميزات عامة - لست بحاجة إلى ثقب أسود للحصول على ثقب). في الأساس ، تتخيل نفخ فقاعة صابون بكميات كبيرة. تتخذ الفقاعة شكلًا طبيعيًا يقلل من مساحة سطحها. لا يلزم أن يكون الشكل مستديرًا ، مثل الفقاعات في حفلة عيد ميلاد الطفل ، لأن قواعد الهندسة يمكن أن تختلف عن تلك التي نعرفها ؛ وبالتالي فإن الفقاعة هي مسبار لتلك الهندسة. يمكن للتأثيرات الكمية أن تنفخه أيضًا.

من خلال حساب مكان وجود السطح الكمي الأقصى ، يحصل الباحثون على معلومتين مهمتين. أولاً ، يقسم السطح الكتلة إلى قطعتين ويتطابق كل منهما مع جزء من الحدود. ثانيًا ، تتناسب مساحة السطح مع جزء من إنتروبيا التشابك بين هذين الجزأين من الحدود. وبالتالي فإن السطح الكمي الأقصى يربط مفهومًا هندسيًا (منطقة) بمفهوم كمومي (تشابك) ، مما يوفر لمحة عن كيف يمكن أن تصبح نظرية الجاذبية والكم واحدة.

ولكن عندما استخدم الباحثون هذه الأسطح الكمومية القصوى لدراسة ثقب أسود متبخر ، حدث شيء غريب. في وقت مبكر من عملية التبخر ، وجدوا ، كما هو متوقع ، أن إنتروبيا التشابك للحدود قد ارتفعت. نظرًا لأن الثقب كان الشيء الوحيد داخل الفضاء ، استنتج المؤلفون أن إنتروبيا التشابك الخاصة به آخذة في الارتفاع. من حيث حسابات هوكينج الأصلية ، جيد حتى الآن.

فجأة تغير ذلك. ظهر السطح الكمي الأقصى فجأة داخل أفق الثقب الأسود. في البداية لم يكن لهذا السطح أي تأثير على بقية النظام. لكن في النهاية أصبح العامل الحاسم في الإنتروبيا ، مما أدى إلى انخفاض. قارنه الباحثون بمرحلة انتقالية مثل الغليان أو التجميد. قال إنجلهاردت: "نعتقد أن هذا هو تغيير في الطور مشابه للمراحل الديناميكية الحرارية - بين الغاز والسائل".

كان يعني ثلاثة أشياء. أولاً ، يشير التحول المفاجئ إلى بداية فيزياء جديدة لم يغطها حساب هوكينغ. ثانيًا ، قسم السطح الأقصى الكون إلى قسمين. جزء واحد كان مكافئًا للحدود. كان الآخر عبارة عن عالم هنا لا توجد فيه معلومات عن الحدود ، مما يشير إلى أن نزيف الإشعاع من النظام كان له تأثير على محتوى المعلومات الخاص به.

ثالثًا ، كان موضع السطح الكمي الأقصى مهمًا للغاية. كان يقع داخل أفق الثقب الأسود. مع تقلص الثقب ، تقلص كذلك السطح الكمي الأقصى ومعه انتروبيا التشابك. من شأن ذلك أن ينتج منحدرًا هبوطيًا تنبأ به بيج - وهي المرة الأولى التي يقوم فيها أي حساب بذلك.

من خلال إظهار أن الانتروبيا المتشابكة تتبعت منحنى الصفحة ، تمكن الفريق من تأكيد أن الثقوب السوداء تنشر المعلومات. إنها تتسرب في شكل مشفر للغاية أصبح ممكنًا بفضل التشابك الكمي. في الواقع ، إنه مشفر لدرجة أنه لا يبدو كما لو أن الثقب الأسود قد تخلى عن أي شيء. لكن في النهاية ، يمر الثقب الأسود بنقطة تحول حيث يمكن فك تشفير المعلومات. البحث، نُشر في مايو 2019، كل هذا باستخدام أدوات نظرية جديدة تحدد مقدار التشابك بطريقة هندسية.

حتى مع هذه الأدوات ، كان لابد من تجريد الحساب إلى جوهره ليكون قابلاً للتنفيذ. كان الجزء الأكبر في عالم AdS / CFT هذا مجرد بُعد واحد من الفضاء ، على سبيل المثال. لم يكن الثقب الأسود عبارة عن كرة سوداء كبيرة ، بل كان جزءًا قصيرًا من الخط. ومع ذلك ، جادل الباحثون بأن الجاذبية هي الجاذبية ، وما يسري على هذا Lineland الفقير يجب أن يحمل الكون الحقيقي. (في أبريل 2020 ، كوجي هاشيموتو, نوريهيرو إيزوكا و يوشينوري ماتسو من جامعة أوساكا حلل الثقوب السوداء في هندسة مسطحة أكثر واقعية و أكد أن النتائج لا تزال قائمة.)

في أغسطس 2019 المهيري ومجموعة أخرى من زملائه اتخذ الخطوة التالية ووجهوا انتباههم إلى الإشعاع. وجدوا أن الثقب الأسود والإشعاع المنبعث منه كلاهما يتبع نفس منحنى الصفحة، لذلك يجب نقل هذه المعلومات من واحد إلى الآخر. لا يوضح الحساب كيف يتم نقله ، ولكنه يشير فقط إلى كيفية نقله.

كجزء من العمل ، اكتشفوا أن الكون يخضع لعملية إعادة ترتيب محيرة. في البداية ، يكون الثقب الأسود في مركز الفضاء والإشعاع يتطاير. لكن بعد مرور وقت كافٍ ، تقول المعادلات ، لم تعد الجسيمات العميقة داخل الثقب الأسود جزءًا من الثقب ، بل أصبحت جزءًا من الإشعاع. لم يتم نقلهم جواً إلى الخارج ، ولكن تم نقلهم ببساطة.

هذا مهم لأن هذه الجسيمات الداخلية ستساهم عادةً في الانتروبيا المتشابكة بين الثقب الأسود والإشعاع. إذا لم يعدوا جزءًا من الثقب الأسود ، فلن يعودوا يساهمون في الانتروبيا ، موضحين سبب بدء تناقصه.

أطلق المؤلفون على النواة الداخلية للإشعاع اسم "الجزيرة" ووصفوا وجودها بأنه "مفاجئ". ماذا يعني أن تكون الجسيمات في الثقب الأسود وليس في الثقب الأسود؟ لتأكيد الاحتفاظ بالمعلومات ، قام الفيزيائيون بإزالة لغز واحد فقط لإنشاء لغز أكبر. كلما سألت المهيري وآخرين عما يعنيه ذلك ، نظروا بعيدًا ، تائهين للحظات الكلمات.

أدخل الثقوب الدودية

حتى الآن افترضت الحسابات ازدواجية AdS / CFT - عالم كرة الثلج - وهي حالة اختبار مهمة ولكنها في النهاية تم اختراعها إلى حد ما. كانت الخطوة التالية هي النظر في الثقوب السوداء بشكل عام.

اعتمد الباحثون على مفهوم كان لدى ريتشارد فاينمان المتقدمة في الأربعينيات. يُعرف باسم مسار التكامل ، وهو التعبير الرياضي لمبدأ ميكانيكا الكم الأساسية: أي شيء يمكن أن يحدث يحدث. في فيزياء الكم ، يأخذ الجسيم الذي ينتقل من النقطة أ إلى النقطة ب جميع المسارات الممكنة ، والتي يتم تجميعها في مجموع مرجح. عادةً ما يكون المسار الأعلى ترجيحًا هو المسار الذي تتوقعه من الفيزياء الكلاسيكية العادية ، ولكن ليس دائمًا. إذا تغيرت الأوزان ، يمكن للجسيم أن ينتقل فجأة من مسار إلى آخر ، ويخضع لعملية انتقال قد تكون مستحيلة في الفيزياء القديمة.

يعمل تكامل المسار بشكل جيد مع حركة الجسيمات لدرجة أن المنظرين في الخمسينيات من القرن الماضي المقترح كنظرية كمومية للجاذبية. وهذا يعني استبدال هندسة الزمكان بمزيج من الأشكال الممكنة. بالنسبة لنا ، يبدو أن للزمكان شكلًا واحدًا محددًا جيدًا - بالقرب من الأرض ، يكون منحنيًا بدرجة كافية بحيث تميل الأجسام إلى الدوران حول مركز كوكبنا ، على سبيل المثال. لكن في الجاذبية الكمومية ، فإن الأشكال الأخرى ، بما في ذلك الأشكال الأكثر انحناءًا ، تكون كامنة ، ويمكن أن تظهر في ظل الظروف المناسبة. تبنى Feynman نفسه هذه الفكرة في الستينيات ، و هوكينغ دافع عنها في السبعينيات والثمانينيات. ولكن حتى عبقريتهم الكبيرة كافحت في كيفية تنفيذ مسار الجاذبية بشكل متكامل ، ووضع الفيزيائيون ذلك جانبًا لصالح مناهج أخرى للجاذبية الكمومية. قال "لم نعرف حقًا كيف نحدد ما هو بالضبط - وخمنوا ماذا ، ما زلنا لا نعرف" جون بريسكيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

بالنسبة للمبتدئين ، ما هي "كل" الأشكال الممكنة؟ بالنسبة إلى هوكينج ، كان هذا يعني كل الطبولوجيا. قد يربط الزمكان نفسه في أشكال تشبه العجينة أو البريتزل. يؤدي الاتصال الإضافي إلى إنشاء أنفاق أو "ثقوب دودية" بين الأماكن واللحظات البعيدة. هذه تأتي في أنواع مختلفة.

تشبه الثقوب الدودية المكانية البوابات المحببة لكتاب الخيال العلمي ، وتربط نظامًا نجميًا بآخر. ما يسمى بالثقوب الدودية في الزمكان هي أكوان صغيرة تنبت من عالمنا وتتحد معها في وقت لاحق. لم ير علماء الفلك مطلقًا أيًا من النوعين ، لكن النسبية العامة تسمح بهذه الهياكل ، وللنظرية سجل حافل جيد في تقديم تنبؤات تبدو غريبة ، مثل الثقوب السوداء وموجات الجاذبية ، والتي تم إثباتها لاحقًا. لم يتفق الجميع مع هوكينج على أن هذه الأشكال الغريبة تنتمي إلى الخليط ، لكن الباحثين الذين أجروا التحليلات الجديدة للثقوب السوداء تبنوا الفكرة مؤقتًا.

لم يتمكنوا من التفكير بشكل واقعي في جميع الهياكل الممكنة ، والتي هي حرفيا غير معدود، لذلك نظروا فقط إلى تلك التي كانت أكثر أهمية لثقب أسود متبخر. تُعرف هذه ، لأسباب رياضية ، بنقاط السرج ، وتبدو وكأنها أشكال هندسية هادئة إلى حد ما. في النهاية ، لم تقم الفرق فعليًا بإجراء التجميع الكامل للأشكال ، والذي كان يتجاوزها. استخدموا المسار لا يتجزأ في الغالب كوسيلة لتحديد نقاط السرج.

كانت الخطوة التالية ، بعد تطبيق المسار المتكامل للثقب الأسود وإشعاعه ، هي حساب الانتروبيا المتشابكة. تُعرَّف هذه الكمية على أنها لوغاريتم مصفوفة - مصفوفة من الأرقام. الحساب صعب في أفضل الأوقات ، لكن في هذه الحالة لم يكن لدى الفيزيائيين المصفوفة ، الأمر الذي كان سيتطلب تقييم المسار المتكامل. لذلك اضطروا إلى إجراء عملية لا يمكنهم إجراؤها بكمية لم يعرفوها. لذلك ، قاموا بخرق حيلة رياضية أخرى.

لقد لاحظوا أن الإنتروبيا لا تتطلب معرفة المصفوفة الكاملة. يمكنهم بدلاً من ذلك تخيل إجراء سلسلة متكررة من القياسات على الثقب الأسود ثم دمج تلك القياسات بطريقة تحافظ على المعرفة التي يحتاجونها. تعود هذه الخدعة المزعومة إلى الإصدار دراسة المغناطيس في السبعينيات وكان تم تطبيقه لأول مرة على الجاذبية في عام 2013.

ومن مؤلفي العمل الجديد ، توم هارتمان من جامعة كورنيل ، مقارنة الحيلة المقلدة بالتحقق مما إذا كانت العملة عادلة. عادةً ما تقوم برميها عدة مرات لترى ما إذا كانت ستهبط على كل جانب باحتمال 50-50. لكن افترض أنك لا تستطيع فعل ذلك لسبب ما. لذا بدلاً من ذلك ، ترمي عملتين متطابقتين - "النسخ المتماثلة" - ولاحظ عدد المرات التي تهبط فيها على نفس الجانب. إذا حدث هذا نصف الوقت ، تكون العملات عادلة. على الرغم من أنك ما زلت لا تعرف الاحتمالات الفردية ، يمكنك إصدار حكم أساسي حول العشوائية. هذا مشابه لعدم معرفة المصفوفة الكاملة للثقب الأسود ، مع الاستمرار في تقييم الكون الخاص به.

رغم أنها خدعة ، إلا أنها تحتوي على فيزياء حقيقية. لا يميز تكامل مسار الجاذبية بين النسخ المتماثلة من ثقب أسود حقيقي. يأخذهم حرفيا. هذا ينشط بعض الطوبولوجيا الكامنة التي يتضمنها مسار الجاذبية. والنتيجة هي نقطة سرج جديدة تحتوي على ثقوب سوداء متعددة مرتبطة بثقوب دودية الزمكان. إنها تتنافس على التأثير مع الهندسة العادية لثقب أسود واحد محاط بضباب من إشعاع هوكينغ.

يتم ترجيح الثقوب الدودية والثقب الأسود المفرد عكسيًا ، أساسًا ، بمقدار الانتروبيا المتشابكة لديهم. تحتوي الثقوب الدودية على الكثير ، لذا فهي تتلقى وزنًا منخفضًا وبالتالي فهي غير مهمة في البداية. لكن إنتروبياهم تتناقص ، في حين أن إشعاع هوكينغ يستمر في الارتفاع. في النهاية ، أصبحت الثقوب الدودية هي المهيمنة على الاثنين ، وتسيطر على ديناميكيات الثقب الأسود. التحول من هندسة إلى أخرى أمر مستحيل في النسبية العامة الكلاسيكية - إنها عملية كمومية بطبيعتها. التكوين الهندسي الإضافي وعملية الانتقال التي تصل إليه هما الاكتشافان الرئيسيان للتحليل.

في نوفمبر 2019 ، قام فريقان من الفيزيائيين - المعروفين باسم الساحل الغربي و الساحل الشرقي مجموعات لانتماءاتهم الجغرافية - نشروا أعمالهم توضح أن هذه الخدعة تسمح لهم بإعادة إنتاج منحنى الصفحة. وبهذه الطريقة ، أكدوا أن الإشعاع يزيل المحتوى المعلوماتي لأي شيء يسقط في الثقب الأسود. لا يجب أن تكون نظرية الأوتار صحيحة ؛ حتى الناقد المخلص لنظرية الأوتار يمكنه الانضمام إلى مسار الجاذبية المتكامل. ومع ذلك ، على الرغم من تعقيد التحليل ، إلا أنه لا يوضح بعد كيف تجعل المعلومات مهربًا.

بناء الزمكان

من خلال هذه الحسابات ، يكون الإشعاع غنيًا بالمعلومات. بطريقة ما ، من خلال قياسه ، يجب أن تكون قادرًا على معرفة ما وقع في الثقب الأسود. ولكن كيف؟

تخيل المنظرون في مجموعة الساحل الغربي إرسال الإشعاع إلى جهاز كمبيوتر كمي. بعد كل شيء ، محاكاة الكمبيوتر هي نفسها نظام فيزيائي ؛ لا تختلف المحاكاة الكمومية ، على وجه الخصوص ، تمامًا عما تحاكيه. لذلك تخيل الفيزيائيون جمع كل الإشعاع ، وإدخاله في كمبيوتر كمي ضخم ، وتشغيل محاكاة كاملة للثقب الأسود.

وأدى ذلك إلى تطور ملحوظ في القصة. نظرًا لأن الإشعاع يتشابك بشدة مع الثقب الأسود الذي أتى منه ، يصبح الكمبيوتر الكمومي أيضًا متشابكًا بشدة مع الثقب. داخل المحاكاة ، يُترجم التشابك إلى رابط هندسي بين الثقب الأسود المحاكى والأصل. ببساطة ، الاثنان متصلان بواسطة ثقب دودي. "هناك ثقب أسود مادي ، ثم هناك ثقب محاكى في الكمبيوتر الكمومي ، ويمكن أن يكون هناك ثقب دودي متماثل يربط بينهما ،" دوجلاس ستانفورد، عالم فيزياء نظرية في ستانفورد وعضو في فريق الساحل الغربي. هذه الفكرة هي مثال على اقتراح من Maldacena و ليونارد ساسكيند ستانفورد في عام 2013 أن يمكن اعتبار التشابك الكمومي ثقبًا دوديًا. يوفر الثقب الدودي بدوره نفقًا سريًا يمكن للمعلومات من خلاله الهروب من الداخل.

كان المنظرون يناقشون بشكل مكثف كيفية أخذ كل هذه الثقوب الدودية. إن الثقوب الدودية مدفونة بعمق في المعادلات لدرجة أن ارتباطها بالواقع يبدو ضعيفًا ، ومع ذلك فإن لها عواقب ملموسة. قال "من الصعب الإجابة على ما هو جسدي وما هو غير مادي" راغو ماهاجان، عالم فيزياء في جامعة ستانفورد ، "لأنه من الواضح أن هناك شيئًا صحيحًا بشأن هذه الثقوب الدودية."

ولكن بدلاً من التفكير في الثقوب الدودية كبوابات فعلية موجودة هناك في الكون ، يتوقع ماهاجان وآخرون أنها علامة على فيزياء جديدة غير محلية. من خلال ربط موقعين بعيدين ، تسمح الثقوب الدودية بحدوثها في مكان واحد بالتأثير على مكان بعيد بشكل مباشر ، دون الحاجة إلى عبور الجسيم أو القوة أو أي تأثير آخر للمسافة المتداخلة - مما يجعل هذا مثالًا على ما يسميه الفيزيائيون nonlocality. قال المهيري: "يبدو أنهم يشيرون إلى أن لديك تأثيرات غير محلية". في حسابات الثقب الأسود ، تعتبر الجزيرة والإشعاع نظامًا واحدًا يُرى في مكانين ، وهو ما يرقى إلى فشل مفهوم "المكان". قال ماهاجان: "لقد عرفنا دائمًا أن نوعًا من التأثيرات غير المحلية يجب أن يكون متورطًا في الجاذبية ، وهذا أحدها". "الأشياء التي كنت تعتقد أنها مستقلة ليست مستقلة حقًا."

للوهلة الأولى ، هذا مفاجئ للغاية. بنى أينشتاين النسبية العامة بهدف صريح هو القضاء على اللا تموضع من الفيزياء. لا تصل الجاذبية إلى الفضاء على الفور. يجب أن ينتشر من مكان إلى آخر بسرعة محدودة ، مثل أي تفاعل آخر في الطبيعة. ولكن على مدى عقود ، أدرك علماء الفيزياء أن التماثلات التي تستند إليها النسبية تخلق سلالة جديدة من التأثيرات غير المحلية.

في فبراير الماضي ، مارولف و هنري ماكسفيلد، وكذلك في سانتا باربرا ، مدروس اللا تموضع الذي أشارت إليه حسابات الثقب الأسود الجديدة. وجدوا أن تناظرات النسبية لها تأثيرات أكثر شمولاً مما يُفترض عادة ، مما قد يعطي الزمكان نوعية قاعة المرايا التي شوهدت في تحليلات الثقب الأسود.

كل هذا يعزز حدس العديد من الفيزيائيين بأن الزمكان ليس هو المستوى الجذري للطبيعة ، ولكنه بدلاً من ذلك ينشأ من بعض الآليات الأساسية التي ليست مكانية أو زمنية. بالنسبة للكثيرين ، كان هذا هو الدرس الرئيسي في ازدواجية AdS / CFT. تقول الحسابات الجديدة نفس الشيء إلى حد كبير ، ولكن دون الالتزام بالثنائية أو بنظرية الأوتار. تظهر الثقوب الدودية لأنها اللغة الوحيدة التي يمكن أن يستخدمها المسار المتكامل للتعبير عن أن الفضاء ينهار. إنها طريقة الهندسة للقول إن الكون في النهاية غير هندسي.

نهاية البداية

يقول الفيزيائيون الذين لم يشاركوا في العمل ، أو حتى في نظرية الأوتار ، إنهم معجبون ، إذا كانوا متشككين على النحو الواجب. قال: "كل التقدير لهم ، لأن هذه الحسابات غير تافهة للغاية" دانييل أوريتي من جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونيخ.

لكن البعض يشعر بعدم الارتياح حيال الكومة المترنحة للمثاليات المستخدمة في التحليل ، مثل تقييد الكون إلى أقل من ثلاثة أبعاد مكانية. تلاشت الموجة السابقة من الإثارة على المسار الذي كان جزءًا لا يتجزأ من الثمانينيات ، مدفوعة بعمل هوكينج ، جزئيًا لأن المنظرين كانوا قلقين من تراكم التقريبات. هل يقع علماء الفيزياء اليوم في نفس الفخ؟ قال: "أرى الناس يطرحون نفس حجج التلويح باليد التي قُدمت قبل 80 عامًا" ريناتي لول من جامعة رادبود في هولندا ، خبير في مسار الجاذبية المتكامل. انها لديها جادل أن الثقوب الدودية يجب أن تكون ممنوعة صراحة إذا كان التكامل هو إعطاء نتائج معقولة.

يقلق المشككون أيضًا من أن المؤلفين قد بالغوا في تفسير الحيلة المقلدة. بافتراض أن النسخ المتماثلة يمكن ربطها بالجاذبية ، يتجاوز المؤلفون الاستدعاءات السابقة للمناورة. قال: "إنهم يفترضون أن جميع الأشكال الهندسية التي تربط النسخ المتماثلة المختلفة مسموح بها ، لكن ليس من الواضح كيف يتناسب ذلك مع إطار القواعد الكمية" ستيف جيدينجز سانتا باربرا.

بالنظر إلى أوجه عدم اليقين في الحساب ، فإن البعض غير مقتنع بأن الحل متاح في النظرية شبه الكلاسيكية. قال وارنر: "لا يوجد خيار جيد إذا اقتصرت على ميكانيكا الكم والجاذبية". لقد دافع عن النماذج التي تمنع التأثيرات المتوترة تكوين الثقوب السوداء في المقام الأول. لكن النتيجة متشابهة إلى حد كبير: يمر الزمكان بمرحلة انتقالية إلى بنية مختلفة تمامًا.

الشك مبرر إذا لم يكن لسبب آخر سوى أن العمل الأخير معقد وخام. سوف يستغرق الفيزيائيون وقتًا طويلاً حتى يستوعبوه ويجدوا عيبًا فادحًا في الحجج أو يقتنعوا بأنهم يعملون. بعد كل شيء ، حتى الفيزيائيون الذين يقفون وراء هذه الجهود لم يتوقعوا حل مفارقة المعلومات بدون نظرية الكم الكاملة للجاذبية. في الواقع ، لقد اعتقدوا أن المفارقة كانت نقطة ارتكازهم في تطفل تلك النظرية الأكثر تفصيلاً. قال إنجلهارت: "إذا سألتني قبل عامين ، لكنت سأقول:" منحنى الصفحة - هذا بعيد المنال ". "سنحتاج إلى نوع من فهم [أعمق] للجاذبية الكمية."

لكن بافتراض أن الحسابات الجديدة تصمد أمام التدقيق ، هل هي في الواقع تغلق الباب على مفارقة معلومات الثقب الأسود؟ يُظهر العمل الأخير بالضبط كيفية حساب منحنى الصفحة ، والذي بدوره يكشف أن المعلومات تخرج من الثقب الأسود. لذلك يبدو الأمر كما لو تم التغلب على مفارقة المعلومات. لم تعد نظرية الثقوب السوداء تحتوي على تناقض منطقي يجعلها متناقضة.

ولكن فيما يتعلق بفهم الثقوب السوداء ، فهذه على الأكثر نهاية البداية. لا يزال المنظرون لم يخططوا للعملية خطوة بخطوة حيث تخرج المعلومات. قال "يمكننا الآن حساب منحنى الصفحة ، ولا أعرف لماذا" رفائيل بوسو في بيركلي. بالنسبة لرواد الفضاء الذين يسألون عما إذا كان بإمكانهم الخروج من الثقب الأسود ، يمكن للفيزيائيين الإجابة ، "بالتأكيد!" ولكن إذا سأل رواد الفضاء عن كيفية القيام بذلك ، فسيكون الرد المقلق: "لا يوجد دليل".