العلماء يقومون بتخطيط الفوضى الفوضوية الفوضوية داخل الثقوب السوداء

النسخة الأصلية ل هذه القصة ظهرت في مجلة Quanta.

في بداية الوقت ومركز كل ثقب أسود يكمن نقطة ذات كثافة لا حصر لها تسمى التفرد. لاستكشاف هذه الألغاز ، نأخذ ما نعرفه عن المكان والوقت والجاذبية والميكانيكا الكمومية وتطبيقه على مكان تنهار فيه كل هذه الأشياء ببساطة. ربما لا يوجد شيء في الكون يتحدى الخيال أكثر. ما زال الفيزيائيون يعتقدون أنه إذا تمكنوا من التوصل إلى تفسير متماسك لما يحدث بالفعل في وحول الفرق ، فسيظهر شيء ما ، وربما فهمًا جديدًا للمساحة والوقت.

في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، تكهن بعض علماء الفيزيائيين بأن التفرد قد يكون محاطًا بمنطقة من الفوضى المذهلة ، حيث ينمو الفضاء والوقت بشكل عشوائي. وصفها تشارلز ميسنر من جامعة ماريلاند بأنها “عالم Mixmaster” ، بعد ما كان في ذلك الوقت خطًا شهيرًا من أجهزة المطبخ. إذا كان رائد فضاء يسقط في ثقب أسود ، “يمكن للمرء أن يتخيل أنه يخلط أجزاء جسم رائد الفضاء بالطريقة التي يمزج بها المزيج أو البيض في صفار البيض” ، كتب كيب ثورن ، وهو عالم فيزيائي – جائزة نوبل ، في وقت لاحق.

تستخدم نظرية آينشتاين العامة للنسبية ، والتي تستخدم لوصف خطورة الثقوب السوداء ، معادلة حقل واحدة لشرح كيفية تحركات المساحة وتحركات المادة. لكن هذه المعادلة تستخدم اختصارًا رياضيًا يسمى التوتر لإخفاء 16 معادلة متشابكة متشابكة. ابتكر العديد من العلماء ، بما في ذلك Misner ، افتراضات تبسيط مفيدة للسماح لهم باستكشاف سيناريوهات مثل عالم Mixmaster.

بدون هذه الافتراضات ، لا يمكن حل معادلة أينشتاين تحليليًا ، وحتى معها كانت معقدة للغاية بالنسبة للمحاكاة العددية في ذلك الوقت. مثل الجهاز الذي سميت باسمهم ، سقطت هذه الأفكار عن الأسلوب. وقال جيربن أولينج ، باحث ما بعد الدكتوراه بجامعة إدنبرة: “من المفترض أن تكون هذه الديناميات ظاهرة عامة للغاية في الجاذبية”. “لكنه شيء سقط خارج الخريطة.”

في السنوات القليلة الماضية ، قام علماء الفيزياء بإعادة زيارة الفوضى حول المفردات بأدوات رياضية جديدة. أهدافهم ذات شقين. أحد الأمل هو إظهار أن التقديرات التي صنعها Misner والآخرين هي تقريب صحيحة للجاذبية Einsteinian. والآخر هو الاقتراب أكثر من المفردات على أمل أن تساعد أقصى درجاتها في التوفيق بين النسبية العامة مع ميكانيكا الكم في نظرية الجاذبية الكمومية ، والتي كانت هدفًا للفيزيائيين لأكثر من قرن. كما قال شون هارتنول من جامعة كامبريدج ، “لقد حان الوقت الآن حتى يتم تطوير هذه الأفكار بالكامل”.

ولادة فوضى Mixmaster

وصف ثورن أواخر الستينيات بأنه “العصر الذهبي” لأبحاث الثقب الأسود. لم يكن مصطلح “الثقب الأسود” سوى استخدامًا واسع النطاق. في سبتمبر 1969 ، في زيارة إلى موسكو ، حصل ثورن على مخطوطة من قبل Evgeny Lifshitz ، وهو فيزيائي أوكراني بارز. جنبا إلى جنب مع فلاديمير بيلينسكي وإيزاك خلينكوف ، وجدت Lifschitz حلاً جديدًا لمعادلات آينشتاين للجاذبية بالقرب من التفرد ، مستخدمين الافتراضات التي ابتكرها الثلاثة. كان Lifshitz يخشون أن الرقابة السوفيتية من شأنها أن تؤخر نشر النتيجة ، لأنه يتناقض مع دليل سابق على تأليفه ، لذلك طلب من ثورن مشاركتها في الغرب.

افترضت نماذج الثقب السوداء في وقت سابق التماثلات المثالية غير الموجودة في الطبيعة ، على سبيل المثال ، أن النجم كان كرة مثالية قبل الانهيار في ثقب أسود ، أو أنه لم يكن لديه شحنة كهربائية صافية. (سمحت هذه الافتراضات بحل معادلات آينشتاين ، بأبسط أشكال ، بقلم كارل شوارزشيلد بعد فترة وجيزة من نشرها آينشتاين.) الحل الذي تم العثور عليه في محلول بيكلي ، ويصفون ما قد يحدث في شكله ، ويتم وصفه بشكل أكثر واقعية. لم تكن النتيجة امتدادًا سلسًا للمكان والوقت في الداخل ، بل كان بحرًا متهورًا من المكان والوقت يمتد وضغط في اتجاهات متعددة.

قام ثورن بتهرب الورقة إلى الولايات المتحدة وأرسل نسخة إلى ميتنر ، الذي كان يعلم أنه كان يفكر على خطوط مماثلة. اتضح أن Misner والمجموعة السوفيتية قد انزلقت بشكل مستقل على نفس الأفكار باستخدام افتراضات مماثلة وتقنيات مختلفة. والأكثر من ذلك ، أن مجموعة BKL “استخدمتها لحل أكبر مشكلة لم يتم حلها في تلك الحقبة في النسبية الرياضية” ، على حد تعبير ثورن ، فيما يتعلق بوجود ما يعرف باسم التفرد “العام”. قال بيلينسكي ، آخر عضو آخر على قيد الحياة في BKL Trio ، في رسالة بريد إلكتروني إن وصف Misner الحيوي بدوره ساعده على تصور الوضع الفوضوي بالقرب من الفروسية التي كشفها كلاهما.