نظرية الثقب الأسود الجديدة تحل مشكلة عمرها 50 عامًا

ربما وجد العلماء مجموعة أكثر واقعية من القواعد الديناميكية الحرارية للثقوب السوداء التي لا تتوقف أبدًا عن التغير.

تعد الثقوب السوداء من بين أكثر الأجسام تطرفًا المعروفة في الكون. إنها تضغط كميات هائلة من الكتلة في مناطق صغيرة بشكل ملحوظ، مما يخلق مجالات جاذبية قوية لدرجة أنه لا يمكن لأي شيء، ولا حتى الضوء، الهروب بمجرد عبوره الحدود.

يصف الفيزيائيون الثقوب السوداء باستخدام معادلات مستمدة من نظرية النسبية العامة لأينشتاين بالإضافة إلى أفكار من ميكانيكا الكم. ومع ذلك، في أوائل سبعينيات القرن العشرين، أدرك ستيفن هوكينج وباحثون آخرون أن الثقوب السوداء يبدو أنها تتبع قواعد مشابهة لقوانين الديناميكا الحرارية، وهو فرع الفيزياء الذي يشرح كيف تتصرف الحرارة والطاقة والاضطراب في الأنظمة العادية، مثل غليان الماء على الموقد.

قيود كبيرة في إطار هوكينج

“قوانين هوكينج الثقب الأسود قال أبهاي أشتيكار، أستاذ جامعة أثرتون وأستاذ إيفان بوغ للفيزياء الفخري في كلية إيبرلي للعلوم في ولاية بنسلفانيا ورئيس فريق البحث: “لقد قدمت الميكانيكا علاقة مُرضية بين الفيزياء المتطرفة والعادية وكانت النموذج لمدة 50 عامًا، لكن لديها قيودًا خطيرة. لقد تم صياغتها للثقوب السوداء في حالة توازن – أو غير متغيرة بمرور الوقت – لكن الثقوب السوداء تتغير باستمرار؛ فهي تتشكل وتندمج وتتبخر في النهاية. أردنا إيجاد طريقة للتغلب على هذا القيد وتوسيع نطاق القوانين لتشمل الثقوب السوداء الخارجة عن التوازن.

نادرًا ما تكون الثقوب السوداء الحقيقية ثابتة. يمكنها تجميع المادة، والاصطدام بالثقوب السوداء الأخرى، وفقدان الطاقة تدريجيًا من خلال العمليات الكمومية. ومع ذلك، فإن القوانين التقليدية لميكانيكا الثقب الأسود صُممت في المقام الأول للثقوب السوداء في حالة توازن، مما يعني أن خصائصها لا تتغير بمرور الوقت.

دراسة جديدة بقيادة اشتيكار ونشرت في رسائل المراجعة البدنية، حيث تم تسليط الضوء عليه كاقتراح للمحرر، يقترح طريقة أخرى لحساب إنتروبيا الثقب الأسود. توصف الإنتروبيا عادة بأنها مقياس للفوضى، وبموجب القانون الثاني للديناميكا الحرارية، لا يمكن أن تتناقص.

يربط التعريف الجديد الإنتروبيا بشكل مباشر أكثر مع طاقة الثقب الأسود ودورانه. ويقول الباحثون إن هذا النهج يمكن أن يوفر طريقة أكثر واقعية لدراسة الثقوب السوداء أثناء تطورها أو تبخرها أو اندماجها مع ثقوب سوداء أخرى.

كيف دخلت الثقوب السوداء إلى الديناميكا الحرارية

قال دانييل إي. بارايزو، طالب دراسات عليا في الفيزياء في ولاية بنسلفانيا ومؤلف الدراسة: “إن قوانين ميكانيكا الثقب الأسود جاءت مباشرة من معادلات أينشتاين”. “نظرًا لأنه لا يمكنك الرؤية داخل ثقب أسود، فقد بدا أنه يمكن أن يكون هناك عدد لا حصر له من الطرق لإنشاء ثقب أسود، مما يجعل إنتروبيا الثقب الأسود لا نهائية أيضًا. وكان يُعتقد أيضًا أنها تمتص الطاقة فقط ولا تشع أبدًا، لذلك كانت درجة حرارتها صفرًا.”

هذه الافتراضات المبكرة جعلت الثقوب السوداء تبدو غير متوافقة مع الديناميكا الحرارية. إذا كانت إنتروبيا هذه الأجسام لا نهائية ودرجة حرارتها صفر، فسيكون من الصعب معاملتها مثل الأنظمة الفيزيائية العادية.

تغيرت هذه النظرة عندما استخدم هوكينج ميكانيكا الكم لإظهار أن الثقوب السوداء يمكن أن تبعث جسيمات وطاقة. تشير هذه الظاهرة، المعروفة الآن باسم إشعاع هوكينج، إلى أن الثقوب السوداء يمكن أن تكون لها درجة حرارة وتفقد كتلتها تدريجيًا.

وقال بارايزو: “لقد غير هذا التفكير في الخصائص الديناميكية الحرارية للثقوب السوداء من نوع من المفهوم الرياضي الذي تصفه المعادلات، إلى كونه واقعًا فيزيائيًا”. “لقد فتح هذا الباب أمام إيجاد تشابهات في الثقوب السوداء بين الإنتروبيا ودرجة الحرارة المستخدمة في الديناميكا الحرارية.”

اقترح هوكينج أن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب طرديا مع مساحة أفق الحدث الخاص به. أفق الحدث هو الحدود المحيطة التي تمنع الجاذبية بعدها حتى الضوء من الهروب. كما جادل أيضًا بأن درجة حرارة الثقب الأسود ترتبط عكسيًا بمزيج من كتلته ودورانه.

لماذا تخلق آفاق الحدث مشكلة؟

على الرغم من أن هذا الإطار يعمل بشكل جيد مع الثقب الأسود المستقر، إلا أنه يصبح أكثر صعوبة عند تطبيقه عندما يتغير الثقب الأسود.

قال جوناثان شو، طالب دراسات عليا في الفيزياء في ولاية بنسلفانيا ومؤلف الورقة البحثية: “هناك مشكلة”. “هذه القياسات لا تعمل إلا في حالة الثقب الأسود الذي يكون في حالة توازن. في المواقف الديناميكية، يمكن لآفاق الحدث أن تتشكل وتنمو في ما نسميه المناطق المسطحة من الزمكان، حيث لا يحدث شيء. وهذا يجعلها غائية – لا يمكن تحديد خصائصها فقط من خلال الفيزياء المحلية للثقب الأسود ولكن بدلا من ذلك تعتمد على التنبؤ بالأحداث التي قد تحدث أو لا تحدث في المستقبل. لذلك، لا يمكن أن تكون مساحة آفاق الحدث مقياسا للانتروبيا الفيزيائية للثقوب السوداء الديناميكية. إذا أردنا أن نفهم الثقوب السوداء التي تنمو وتتبخر وتندمج، ونحن بحاجة إلى بديل قابل للتطبيق.

بمعنى آخر، لا يتم تحديد أفق الحدث فقط من خلال ما يحدث حول الثقب الأسود في لحظة معينة. يمكن أن يعتمد موقعه على الأحداث التي تحدث لاحقًا. هذه الميزة التطلعية تجعل من الصعب استخدام أفق الحدث كمقياس مادي مباشر للإنتروبيا في ثقب أسود متطور.

تقدم شركة Dynamical Horizons حلاً جديدًا

ويقترح الباحثون استبدال آفاق الحدث بما يسمى “الآفاق الديناميكية”، والتي تُستخدم بالفعل على نطاق واسع في المحاكاة الحاسوبية للثقوب السوداء.

على عكس أفق الحدث، يمكن تعريف الأفق الديناميكي باستخدام الخصائص الفيزيائية للثقب الأسود في لحظة محددة. ومن ثم فهو يتجنب المشكلة الغائية وقد يقدم طريقة أكثر عملية لتتبع الإنتروبيا مع تغير الثقب الأسود.

وقال اشتيكار: “يسمح لنا هذا بتوسيع القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية ليشمل الثقوب السوداء التي ليست في حالة توازن، وبالتالي التغلب على قيود النموذج الذي تم استخدامه لأكثر من نصف قرن”. “يمكننا تطبيق هذه القوانين المعممة لفهم الثقوب السوداء المتبخرة بشكل أفضل في نظرية الكم واندماجات الثقوب السوداء، مثل تلك التي اكتشفها تعاون LIGO-Virgo-KAGRA باستخدام موجات الجاذبية“.

يمكن أن يساعد الإطار الموسع الفيزيائيين على تفسير اندماجات الثقوب السوداء التي يتم ملاحظتها من خلال موجات الجاذبية والتحقيق في العملية التي لا تزال غامضة والتي تتبخر من خلالها الثقوب السوداء في نظرية الكم.

المرجع: “الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء، بعيدة عن التوازن” بقلم أبهاي أشتيكار ودانيال إي. بارايزو وجوناثان شو، 24 يونيو 2026، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/3c1r-v8f1

تم تمويل هذا البحث من خلال برنامج الأستاذية في ولاية بنسلفانيا أثيرتون وكلية العلوم في ولاية بنسلفانيا إيبرلي.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.