ثقب أبيض

صورة الثقب الأسود في المرآة: كيف يمكن صنع واحد وكيف سيبدو

فرضية: تسمح بها الفيزياء على الورق، لكن لم يرها أحد قط. كل ما يُعرض يتبع النظرية كما هي اليوم.

خطوة بخطوة

ثقب أسود، مُشغَّل إلى الوراء

معادلات النسبية العامة تعمل بالطريقة نفسها أيًّا كان اتجاه الزمن. شغّل قصة ثقب أسود إلى الوراء فتحصل على ثقب أبيض: شيء لا يستطيع أي شيء دخوله ويقذف المادة إلى الخارج.

الثقب الأسود مكان لا يستطيع أي شيء، حتى الضوء، الخروج منه. ولا تكترث معادلات أينشتاين باتجاه الزمن، فلها حل مرآوي: ثقب أبيض، تخرج منه الأشياء ولا يستطيع أي شيء الدخول إليه. اقترح إيغور نوفيكوف عام 1964 أن مثل هذه الأجسام قد توجد فعلًا.

من بعيد يبدو الاثنان متشابهين. الجاذبية خارج الثقب الأبيض هي نفسها خارج ثقب أسود بالكتلة نفسها، فينحني الضوء حوله بالطريقة نفسها وتدور الكواكب حوله بالطريقة نفسها. الفرق عند الحافة: عند أفق الثقب الأسود يدخل كل شيء، وعند أفق الأبيض يخرج كل شيء.

لم يُعثر على ثقب أبيض قط. كل ما هنا نظرية: الصورة ثقب أسود بعشر شموس، عرضه 59 كم، وما يلي هو ما تقوله المعادلات عن صورته في المرآة.

خريطة واحدة، أربع مناطق

الحل الكامل لمعادلات أينشتاين لثقب أسود منفرد يضم أربع مناطق: كوننا، وثقبًا أسود، وثقبًا أبيض، وكونًا آخر. الثقب الأبيض في الماضي، والثقب الأسود في المستقبل.

في عام 1960 وجد كروسكال وسيكيرس الخريطة الكاملة للفضاء حول الثقب الأسود. تُرسم على هيئة مخطط يسير فيه الضوء دائمًا بزاوية 45 درجة، فهي مربع يقطعه قطراه إلى أربعة مثلثات. كوننا على اليمين والزمن يسير إلى الأعلى.

كل ما يسقط من كوننا يعبر إلى المنطقة العلوية، الثقب الأسود. وكل ما خرج يومًا من الثقب الأبيض فعل ذلك من المنطقة السفلية، في الماضي. لا شيء من كوننا يستطيع دخول الثقب الأبيض، لأن ذلك يعني الرجوع في الزمن.

الثقب الأسود الذي يصنعه نجم منهار لا يملك منطقة ثقب أبيض: سطح النجم يقطع الخريطة، ولا يوجد الثقب الأبيض ولا الكون الثاني هناك أبدًا. لهذا يحتاج الثقب الأبيض إلى قصته الخاصة عن كيفية تكوّنه.

كيف يمكن صنع واحد

لا شيء معروف يصنع واحدًا. فكرة: نجم منهار يبلغ أكثف حالة تسمح بها الجاذبية الكمومية، فيرتد، ويصبح الثقب الأسود ثقبًا أبيض. الارتداد مرسوم.

تقول نظرية أينشتاين إن المادة في الثقب الأسود تنهار إلى نقطة كثافتها لا نهائية، وهذا ما لا يصدقه أحد تقريبًا. وتقول الجاذبية الكمومية الحلقية، وهي محاولة لجمع الجاذبية مع الفيزياء الكمومية، إن الفضاء لا يمكن ضغطه دون حجم أصغر، فيتوقف الانهيار ويرتد: نجم بلانك.

الفكرة الأخرى أقدم. اقترح نوفيكوف عام 1964 أن بعض مناطق الكون المبكر تخلفت عن التمدد وانفجرت متأخرة على هيئة ثقوب بيضاء. وحاجّ روفيلي وفيدوتو عام 2018 بأن بقايا صغيرة لثقوب سوداء متبخرة قد تكون ثقوبًا بيضاء تشكّل جزءًا من المادة المظلمة. ولم يُرَ أيٌّ منهما.

آخر جزء من ألف من الثانية

حين ينهار نجم إلى ثقب أسود يزحف سطحه، كما يُرى من بعيد، نحو الأفق ويحمرّ ويخفت بعامل e كل ربع ميلي ثانية لعشر شموس (إيمز وثورن، 1968). وعند التشغيل إلى الوراء يكون ثقبًا أبيض ينفتح: قرص مظلم، ثم وهج أحمر خافت يسطع ويصير أبيض مزرقًا.

هذا حل دقيق، انهيار كرة من الغبار مُشغَّلًا إلى الوراء (أوبنهايمر وسنايدر، 1939). سيخرج سطح النجم من الظل، أول الأمر عند الأفق تمامًا ثم أعلى وأعلى، حتى يمتلئ الظل كله بالضوء.

فالظل لا يبقى أسود طويلًا: الضوء الذي كان سيُحتجز يمكنه الخروج من ثقب أبيض. كل جزء من هذه الخطوة مرسوم من المعادلات. لم يرَ أحد شيئًا كهذا.

لا يمكن أن يدوم

لا شيء يستطيع السقوط في ثقب أبيض، لكن كل ما بقربه يحاول. في عام 1974 بيّن إيردلي أن الضوء الساقط نحو واحد سيتراكم عند حافته ويكتسب طاقة بلا حد ويحوّله إلى ثقب أسود.

أفق الثقب الأبيض لا يمكن إلا مغادرته، ولا يُعبَر أبدًا في الاتجاه المعاكس. لكن المادة والضوء من الخارج ما زالا يتحركان نحوه، تجذبهما جاذبيته، ولا يستطيعان الدخول. فيتجمعان عند الأفق، كحركة السير أمام بوابة مغلقة.

بالنسبة إلى المادة الخارجة من الثقب الأبيض، يُضغَط هذا الحشد من المتأخرين ويُزاح نحو الأزرق بلا حد. بيّن دوغلاس إيردلي عام 1974 أن حتى أضعف سقوط يحمل طاقة تكفي لانهيار الثقب الأبيض إلى ثقب أسود. وفي العام نفسه وجد زيلدوفيتش ونوفيكوف وستاروبينسكي عدم استقرار ثانيًا، من آثار كمومية.

لهذا لا يُتوقع ثقب أبيض أبدي: لو تكوّن واحد لكان قصير العمر. القشرة الزرقاء الباهتة المرسومة هنا تمثل الضوء الساقط؛ ولا يمكن رؤيته.

ثقب أبيض يمكنك بناؤه

يمكن صنع ثقب أبيض للأمواج. في عام 2011 أرسل واينفورتنر وزملاؤه أمواجًا عكس تيار سريع في قناة ماء: حيث تفوق التيار عليها توقفت، كما يتوقف الضوء عند حافة ثقب أبيض.

تسير الأمواج على الماء بسرعة تعتمد على طولها. اجعل الماء يجري أسرع فوق حدبة ناعمة، فتبطئ الأمواج الطويلة المتجهة عكس التيار حتى يساوي التيار سرعتها. هناك لا تستطيع المتابعة: حافة لا تعبرها الأمواج، كأفق الثقب الأبيض بالنسبة إلى الضوء.

عند تلك الحافة تتحول الأمواج الطويلة إلى قصيرة، نظير ما يحدث للضوء عند ثقب أبيض. قاس فريق سيلكه واينفورتنر ذلك عام 2011 (Physical Review Letters) ووجد أن التحوّل له الطابع الحراري الذي يُتنبأ به لإشعاع هوكينغ. وكان روسو وزملاؤه قد رأوا تحوّلًا مشابهًا في حوض عام 2008.

ليس ثقبًا أبيض حقيقيًا: لا جاذبية ولا ضوء، ماء فقط. لكن الرياضيات نفسها، ولهذا تُستخدم مثل هذه الأحواض لاختبار الأفكار عن الثقوب السوداء والبيضاء. والأمواج والتيار هنا مرسومان.

هل كان الانفجار العظيم ثقبًا أبيض؟

على أكبر المقاييس يبدو الانفجار العظيم كثقب أبيض: اندفاع مادة من نقطة. يظن بعض الفيزيائيين أن كوننا هو داخل ثقب أسود ارتد. الارتداد مرسوم.

داخل كرة الغبار المنهارة كون مغلق مُشغَّل إلى الوراء، كما وجد أوبنهايمر وسنايدر عام 1939. شغّله إلى الأمام بدلًا من ذلك وتصير الكرة كونًا متمددًا يبدأ من نقطة: انفجارًا عظيمًا. الاثنان رياضيات واحدة، كل منهما مرآة الآخر.

في عام 1972 اقترح راج باثريا أن كوننا قد يكون داخل ثقب أسود في كون أكبر. واقترح نيكوديم بوبلافسكي عام 2010 صيغة يوقف فيها اللف والالتواء الانهيار داخل كل ثقب أسود ويجعله يرتد إلى كون جديد متمدد.

هذه أفكار لا نتائج. لا شيء نستطيع قياسه يميزها عن الانفجار العظيم القياسي، والكون الحقيقي يتمدد من كل الجهات في آن واحد، لا باندفاع من مكان واحد.

هل رأى أحد واحدًا؟

لا. تقول بعض الأفكار إن ثقوبًا بيضاء صغيرة قد تومض الآن كانفجارات راديوية سريعة، أو تختبئ كمادة مظلمة، لكن لم تُربط أي إشارة بواحد منها. يبقى الثقب الأبيض في المعادلات.

اقترح باراو وروفيلي وفيدوتو عام 2014 أن ثقبًا أسود تكوّن في الكون المبكر قد يرتد اليوم إلى ثقب أبيض ويطلق دفقة من الموجات الراديوية. والانفجارات الراديوية السريعة، وهي وميض ميلي ثانوي مجهول المصدر، أطوالها الموجية ليست بعيدة عمّا قدّروه. هذا تخمين عن سببها، بلا دليل خلفه.

حاجّ روفيلي وفيدوتو عام 2018 بأن ثقوبًا بيضاء بحجم بلانك، تبقى حين تنتهي الثقوب السوداء الصغيرة من التبخر، قد تشكّل جزءًا من المادة المظلمة. وهذه الأجسام أصغر من أن تُرى مباشرة.

فيبقى الثقب الأبيض حيث بدأ: صورة في المرآة ضمن المعادلات، بلا رصد يحتاج إليه، وبسبب وجيه قد يمنعه من الدوام. تُظهر الأحواض أن الرياضيات صحيحة؛ أما هل تصنع الطبيعة واحدًا يومًا فلا يزال مفتوحًا.