يثبت علماء صحة نظرية الثقوب السوداء لستيفن هوكينج

  • ورقة جديدة تؤكد نظرية مساحة الثقب الأسود لستيفن هوكينج
  • استخدم الباحثون بيانات موجات الجاذبية لإثبات النظرية.
  • جاءت البيانات من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومرصد موجات الجاذبية بالليزر المتقدم التابع لمعهد MIT للتكنلوجيا.

أظهرت دراسة جديدة أن نظرية مساحة الثقب الأسود التي وضعها الراحل ستيفن هوكينج صحيحة. استخدم العلماء موجات الجاذبية لإثبات فكرة هوكينج، والتي قد تؤدي إلى الكشف عن المزيد من القوانين الأساسية للكون.

تستخدم النظرية، التي وضعها هوكينج في عام 1971، نظرية أينشتاين للنسبية العامة كنقطة انطلاق لاستنتاج أنه من غير الممكن أن تصبح مساحة الثقب الأسود أصغر بمرور الوقت. تتوازى النظرية مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص: «إن إنتروبيا نظام مغلق لا يمكن أن ينخفض بمرور الوقت. نظرًا لأن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب مع مساحة سطحه، يجب أن يستمر كلاهما في الزيادة».

عندما يلتهم الثقب الأسود المزيد من المادة، تنمو كتلته ومساحة سطحه. ولكن مع نموه، فإنه يدور بشكل أسرع، مما يقلل من مساحة سطحه. تؤكد نظرية هوكينج أن الزيادة في مساحة السطح التي تأتي من الكتلة المضافة ستكون دائمًا أكبر من النقص في مساحة السطح بسبب الدوران الإضافي.

ما هي الإنتروبيا؟

لكي نفهم هذا القانون بشكل مبسط، نفترض أن لدينا وعاءان كلٌ منهما مغلق ويحتوي على غاز معين، الأوكسجين والهيدروجين على سبيل المثال في نفس الحرارة والضغط.

فإذا جعلنا بين الوعائين منفذًا لمرور الغازين بينهما فسنجد نهاية المطاف أن تركيبة الغاز في كليهما متطابقة ومستقرة، ولا يمكن العودة تلقائيًا إلى الحالة الأولية عندما كان الأوكسجين والهيدروجين منفصلين عن بعضهما. لذلك يقول العلماء إن الاضطراب داخل نظام فيزيائي لا يمكن إلا أن يزيد.

وهذا المبدأ ينطبق أيضا على الثقوب السوداء التي تلتهم الأجرام من حولها. وبما أن إنتروبيا الثقب الأسود متناسبة طرديًا مع مساحة سطحه، يرى هوكينج أن هذه المساحة لا يمكن إلا أن تزيد مع الوقت.

لكن الأمر يبدو أكثر تعقيدًا بالنسبة للثقوب السوداء، فإذا التهم هذا الوحش الكوني جرمًا ماديًا فإنه يكتسب كتلة أكبر، مما يزيد من مساحة سطحه. لكن، وفي نفس الوقت، يمكن لكتلة هذا الجسم أن تجعل الثقب الأسود يدور بسرعة أكبر، مما يقلل من مساحة السطح.

إذن، في المحصلة، هل ستزيد مساحة الثقب أم ستتقلص؟ نظريًا وحسب قانون هوكينج فإن الزيادة في مساحة السطح بسبب الكتلة الإضافية ستفوق دائمًا الانخفاض في مساحة السطح بسبب الدوران الإضافي. لكن هذا يحتاج إلى إثبات في الواقع.

قال ويل فار Will Farr، أحد المشاركين في الدراسة التي نُشِرت في رسائل المراجعة الفيزيائية، إن النتائج التي توصلوا إليها تُثبت أن «مساحة الثقب الأسود شيء أساسي ومهم». ووافقه الرأي زميله ماكسيميليانو اسي Maximiliano Isi في مقابلة مع Live Science: «الثقوب السوداء لها إنتروبيا، وهي تتناسب مع مساحتها. إنها ليست مجرد صدفة مضحكة، إنها حقيقة عميقة عن العالم الذي تكشف عنه».

استند فريق البحث في استنتاجاتهم إلى البيانات المستمدة من موجات الجاذبية التي رصدها مرصد التداخل الليزري المتقدم LIGO التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد MIT للتكنولوجيا في عام 2015.

ما هي موجات الجاذبية؟

موجات الجاذبية هي تموجات في الزمكان، تنبأ بها ألبرت أينشتاين في عام 1916، وهي ناتجة من عمليات شديدة العنف تحدث في الفضاء. أظهر أينشتاين أن الأجسام الفضائية الضخمة والمتسارعة مثل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء التي تدور حول بعضها البعض يمكن أن تسبب اضطرابات في الزمكان. مثل التموجات الناتجة عن رمي صخرة في بحيرة، فإنها ستحدث موجات من الزمكان تنتشر في كل الاتجاهات.

كما شارك مرصد LIGO هذه التموجات الكونية تنتقل بسرعة الضوء، وتحمل معها معلومات حول أصولها، بالإضافة إلى أدلة عن طبيعة الجاذبية نفسها.

يذكر أن موجات الجاذبية التي اكتشفها شعاع ليزر LIGO الذي يبلغ طوله 3000 كم، والذي يمكنه اكتشاف أصغر التشوهات في الزمكان، ولِدت قبل 1.3 مليار عام من خلال ثقبين أسودين عملاقين كانا يتدفقان بسرعة نحو بعضهما البعض.

تأكيد نظرية مساحة الثقب الأسود

قام الباحثون بفصل الإشارة إلى جزأين، اعتمادًا على ما إذا كانت قبل أو بعد اندماج الثقوب السوداء. سمح هذا بمعرفة كتلة ودوران الثقوب السوداء الأصلية بالإضافة إلى كتلة ودوران الثقب الأسود المدمج. باستخدام هذه المعلومات، قاموا بحساب المساحات السطحية للثقوب السوداء قبل الاندماج وبعده.

وأوضح إيسي أنه كلما دارت الثقوب حول بعضها البعض بشكلٍ أسرع وأسرع، زادت سعة موجات الجاذبية أكثر فأكثر حتى تنغمس في نهاية المطاف في بعضها البعض «مما يجعل اندفاع الامواج كبير». «ما تبقى أمامك هو ثقب أسود جديد في هذه الحالة المثيرة، والتي يمكن دراستها بعد ذلك من خلال تحليل كيفية اهتزازه. يبدو الأمر كما لو كنت تدق الجرس، فإن النغمات التي يرن بها ستخبرك الهيكل من هذا الجرس، وأيضًا مما صُنِع».

كانت مساحة سطح الثقوب السوداء الناتجة أكبر من المساحة المشتركة للثقوب الأصلية. وهذا يتوافق مع قانون مساحة هوكينج.

المصادر: 1