ما المقصود بالثقب الدودي في فيزياء الكم

تعتبر الثقوب الدودية عنصرًا شائعًا في الخيال العلمي؛ لأنها تسمح بالسفر بين النجوم وبين المجرات وأحيانًا حتى بين الكون ضمن مقاييس عمر الإنسان، في الخيال استخدمت الثقوب الدودية أيضًا كوسيلة للسفر عبر الزمن.

ما المقصود بالثقب الدودي

الثقب الدودي الذي يعرف بجسر أينشتاين-روزن هو مجسم تخميني يربط بين نقاط متباينة في الزمكان، ويعتمد على حل خاص لمعادلات مجال أينشتاين، ويمكن تخيل الثقب الدودي على أنه نفق ذو طرفين عند نقاط منفصلة في الزمكان، تتوافق الثقوب الدودية مع النظرية العامة للنسبية، ولكن يبقى على العلماء التأكيد ما إذا كانت الثقوب الدودية موجودة بالفعل.

لقد قال العديد من العلماء أن الثقوب الدودية هي عبارة عن إسقاطات ببعد مكاني رابع على أساس أنه كيف يمكن لوجود ثنائي الأبعاد (2D) أن يختبر جزءًا فقط من كائن ثلاثي الأبعاد (3D)، ونظريًا قد يوصل الثقب الدودي مسافات طويلة جدًا مثل مليار سنة ضوئية أو مسافات قصيرة مثل بضعة أمتار أو نقاط زمنية مختلفة أو حتى أكوان مختلفة.

في عام 1995 اقترح مات فيسر أنه قد يكون هناك العديد من الثقوب الدودية في الكون إذا تم إنشاء سلاسل كونية ذات كتلة سالبة في الكون المبكر، حيث اقترح بعض الفيزيائيين مثل فرانك تيبلر وكيب ثورن كيفية صنع الثقوب الدودية بشكل مصطنع.

علاقة الثقوب الدودية بالنسبية العامة المعدلة: في بعض الفرضيات التي يتم فيها تعديل النسبية العامة من الممكن وجود ثقب دودي لا ينهار دون الحاجة إلى اللجوء إلى مادة غريبة، على سبيل المثال هذا ممكن مع الجاذبية R التربيعية وهي شكل من أشكال الجاذبية f ( R ).

خصائص الثقب الدودي

للحصول على فكرة مبسطة عن الثقب الدودي يمكن تصور الفضاء كسطح ثنائي الأبعاد، ففي هذه الحالة قد يظهر الثقب الدودي على شكل ثقب في ذلك السطح ويؤدي إلى أنبوب ثلاثي الأبعاد وهو السطح الداخلي للأسطوانة، ثم يظهر مرة أخرى في مكان آخر على السطح ثنائي الأبعاد بفتحة تشبه المدخل، وقد يكون الثقب الدودي الفعلي مشابهًا لهذا، ولكن مع رفع الأبعاد المكانية بمقدار واحد.

على سبيل المثال بدلاً من الثقوب الدائرية على مستوى ثنائي الأبعاد يمكن تصور نقاط الدخول والخروج، على أنها ثقوب كروية في مساحة ثلاثية الأبعاد تؤدي إلى أنبوب رباعي الأبعاد مشابه للكرة.

طريقة أخرى لتخيل الثقوب الدودية هي أخذ ورقة ورسم نقطتين بعيدتين إلى حد ما على جانب واحد من الورقة، حيث تمثل الورقة مستويًا في استمرارية الزمكان وتمثل النقطتان المسافة التي يجب قطعها، ولكن نظريًا يمكن للثقب الدودي أن يربط هاتين النقطتين عن طريق طي هذا المستوى، بحيث تتلامس النقاط، بهذه الطريقة سيكون من الأسهل بكثير اجتياز المسافة لأن النقطتين تتلامسان الآن.

محاليل الثقوب الدودية

ثقوب شوارزشيلد الدودية

كان النوع الأول من محلول الثقب الدودي الذي تم اكتشافه هو ثقب شوارزشيلد الدودي، والذي سيكون موجودًا في مقياس شوارزشيلد الذي يصف الثقب الأسود الأبدي، ولكن وجد أنه سينهار بسرعة كبيرة جدًا، بحيث لا يمكن لأي شيء عبوره من طرف إلى آخر، وكان يُعتقد أن الثقوب الدودية التي يمكن عبورها في كلا الاتجاهين والمعروفة باسم الثقوب الدودية القابلة للعبور ممكنة فقط إذا أمكن استخدام مادة غريبة ذات كثافة طاقة سالبة لتثبيتها.

ومع ذلك أفاد الفيزيائيون لاحقًا أن الثقوب الدودية المجهرية التي يمكن عبورها قد تكون ممكنة، ولا تتطلب أي مادة غريبة وبدلاً من ذلك تتطلب فقط الفرميونات المشحونة كهربائيًا مادة ذات كتلة صغيرة بما يكفي، بحيث لا يمكنها الانهيار في ثقب أسود مشحون.

وفي حين أن مثل هذه الثقوب الدودية إن أمكن قد تقتصر على عمليات نقل المعلومات، إلا أنه قد توجد ثقوب دودية يمكن عبورها بشريًا إذا كان من الممكن وصف الواقع على نطاق واسع من خلال نموذج راندال-صندرم 2، وهي نظرية تعتمد على الغشاء متوافقة مع نظرية الأوتار.

الثقوب الدودية العابرة

يوضح تأثير كازيمير أن نظرية المجال الكمومي تسمح لكثافة الطاقة في مناطق معينة من الفضاء أن تكون سالبة بالنسبة إلى طاقة فراغ المادة العادية، وقد ثبت نظريًا أن نظرية المجال الكمومي تسمح بالحالات التي يمكن أن تكون فيها الطاقة سالبة بشكل تعسفي عند نقطة معينة، إن العديد من الفيزيائيين جادلوا بأن مثل هذه التأثيرات قد تجعل من الممكن تثبيت ثقب دودي يمكن عبوره

تم طرح العملية الطبيعية المعروفة الوحيدة التي يُتوقع نظريًا أن تشكل ثقبًا دوديًا في سياق النسبية العامة وميكانيكا الكم في تخمينه مفارقة أي بي آر، حيث تُستخدم فرضية الرغوة الكمومية أحيانًا للإشارة إلى أن الثقوب الدودية الصغيرة قد تظهر وتختفي تلقائيًا على مقياس بلانك، وقد تم اقتراح نسخ مستقرة من الثقوب الدودية كمرشحة للمادة المظلمة.

كما تم اقتراح أنه إذا ظهر ثقب دودي صغير مفتوح بواسطة سلسلة كونية سالبة الكتلة في وقت قريب من الانفجار العظيم يمكن أن يكون قد تم تضخيمه إلى الحجم العياني عن طريق التضخم الكوني.

تربط الثقوب الدودية نقطتين في الزمكان، مما يعني أنها ستسمح من حيث المبدأ بالسفر في الزمان وكذلك في الفضاء، وفي عام 1988 عمل موريس وثورن ويورتسيفر على كيفية تحويل الثقب الدودي الذي يجتاز الفضاء إلى وقت عبور واحد عن طريق تسريع أحد أفواهه، ومع ذلك وفقًا للنسبية العامة لن يكون من الممكن استخدام ثقب دودي للعودة إلى وقت سابق عما كان عليه عندما تم تحويل الثقب الدودي لأول مرة إلى آلة زمنية، حتى هذا الوقت لم يكن من الممكن ملاحظته أو استخدامه.

السفر عبر الزمن عن طريق الثقوب الدودية

في حالة وجود ثقوب دودية يمكن عبورها فقد تسمح بالسفر عبر الزمن، إذ قد تعمل آلة السفر عبر الزمن المقترحة باستخدام ثقب دودي يمكن اجتيازه افتراضيًا بالطريقة التالية، حيث يتم تسريع أحد طرفي الثقب الدودي إلى جزء كبير من سرعة الضوء ربما باستخدام نظام دفع متقدم ثم إعادته مرة أخرى إلى نقطة الأصل.

بدلاً من ذلك هناك طريقة أخرى تتمثل في أخذ مدخل واحد من الثقب الدودي وتحريكه إلى داخل مجال الجاذبية لجسم له جاذبية أعلى من المدخل الآخر ثم إعادته إلى موضع قريب من المدخل الآخر، ولكلتا الطريقتين تمدد الوقت يتسبب في نهاية الثقب الدودي الذي تم نقله ليصبح  أصغر سنًا من الطرف الثابت كما يراه مراقب خارجي.

ومع ذلك فإن الوقت يتصل بشكل غير مألوف من خلال الثقب الدودي عن خارجه بحيث تبقى الساعات المتزامنة في أي من طرفي الثقب الدودي متزامنة دائمًا كما ترى من قبل مراقب يخطو عبر الثقب الدودي بغض النظر عن كيفية تحرك الطرفين، وهذا يعني أن المراقب الذي يدخل الطرف الأصغر سيخرج من النهاية الأكبر سنًا في وقت كان فيه نفس عمر النهاية الأصغر سنًا ويعود فعليًا بالزمن إلى الوراء كما يراه مراقب من الخارج.

أحد القيود المهمة على آلة الزمن هذه هو أنه من الممكن فقط الرجوع بالزمن إلى الوراء مثل الإنشاء الأولي للآلة، وهو عبارة عن مسار عبر الزمن أكثر من كونه جهازًا يتحرك عبر الزمن ولن يسمح للتقنية نفسها أن تتحرك إلى الوراء في الزمن. يعرف الثقب الدودي في الفيزياء بأنه حل معادلات المجال في نظرية النسبية العامة للفيزيائي الألماني المولد ألبرت أينشتاين، والتي تشبه نفقًا بين ثقبين أسودين أو نقاط أخرى في الزمكان، حيث سيوفر مثل هذا النفق اختصارًا بين نقاط نهايته.