أظهر فريق من الفيزيائيين بطريقة رياضية شيئا غريبا يتعلق بكيفية وجود الأجسام الكثيفة الانحناء في حالة من التراكب الكمومي، وتحتل في الوقت نفسه طيفا من الخصائص المحتملة.

وأظهرت حساباتهم أن تراكب الكتلة في نوع نظري من الثقوب السوداء يسمى الثقب الأسود BTZ، يشغل نطاقات مختلفة من الكتل بشكل مفاجئ في وقت واحد.


وعادة، يمكن لأي جسيم أن يوجد في تراكب الحالات، مع خصائص مثل الدوران أو الزخم التي يتم تحديدها فقط بمجرد أن تصبح جزءا من الملاحظة.

وعندما تأتي بعض الصفات، مثل الشحنة، فقط في وحدات منفصلة، لا يتم تحديد الكتلة عادة، ما يعني أن كتلة الجسيم غير المرصود يمكن أن تقع في أي مكان داخل نطاق من الفواصل.

ومع ذلك، كما يُظهر هذا البحث، فإن تراكب الكتل الذي يحمله الثقب الأسود يميل إلى تفضيل بعض المقاييس على غيرها بنمط يمكن أن يكون مفيدا لنمذجة الكتلة بأسلوب كمي. وقد يمنحنا هذا إطارا جديدا لسبر آثار الجاذبية الكمية للثقوب السوداء في التراكب من أجل تخفيف التوتر بين النسبية العامة ونظرية الكم.
ويوضح عالم الفيزياء النظرية جوشوا فو، من جامعة كوينزلاند في أستراليا: "حتى الآن، لم نحقق بعمق في ما إذا كانت الثقوب السوداء تعرض بعض السلوكيات الغريبة والرائعة لفيزياء الكم. وأحد هذه السلوكيات هو التراكب، حيث يمكن أن توجد الجسيمات على نطاق كمي في حالات متعددة في الوقت نفسه. ولكن، بالنسبة للثقوب السوداء، أردنا أن نرى ما إذا كان يمكن أن يكون لها كتل مختلفة تماما في الوقت نفسه، واتضح أنها كذلك. تخيل أنك عريض وطويل، وكذلك قصير ونحيف في الوقت نفسه - إنه موقف محير بشكل حدسي لأننا راسخون في عالم الفيزياء التقليدية. لكن هذا هو الواقع بالنسبة للثقوب السوداء الكمومية". 

وتشكل الجاذبية الشديدة المحيطة بالثقوب السوداء مختبرا ممتازا لسبر الجاذبية الكمومية - السلسلة المستمرة المتدحرجة للزمكان وفقا للنظرية العامة للنسبية المرتبطة بنظرية ميكانيكا الكم، والتي تصف الكون المادي من حيث الكميات المنفصلة، مثل الجسيمات.

وقد تؤدي النماذج القائمة على أنواع معينة من الثقوب السوداء إلى نظرية واحدة يمكن أن تفسر الجسيمات والجاذبية. ولا يمكن وصف بعض التأثيرات التي لوحظت حول الثقب الأسود في إطار النسبية العامة، على سبيل المثال. لهذا، نحتاج إلى الجاذبية الكمومية - نظرية موحدة تضم مجموعتي القواعد بطريقة ما وتجعلهما يلعبان بشكل جيد.

ولذلك، طور فو وزملاؤه إطارا رياضيا يسمح بفعالية للفيزيائيين بمراقبة جسيم موضوع خارج ثقب أسود يكون في حالة تراكب كمي.

وكانت الكتلة هي الخاصية الرئيسية التي بحثوها، لأن الكتلة هي إحدى الخصائص الوحيدة للثقوب السوداء التي يمكننا قياسها.

وتقول عالمة الفيزياء الكمومية ماجدالينا زيك، من جامعة كوينزلاند: "يُظهر عملنا أن النظريات المبكرة جدا لجاكوب بيكنشتاين - عالم الفيزياء النظرية الأمريكي والإسرائيلي الذي قدم مساهمات أساسية في تأسيس الديناميكا الحرارية للثقب الأسود - كانت على أساس المال. افترض [بيكنشتاين] أن الثقوب السوداء لا يمكن أن يكون لها سوى كتل ذات قيم معينة، أي أنه يجب أن تقع ضمن نطاقات أو نسب معينة - هذه هي الطريقة التي تعمل بها مستويات الطاقة في الذرة، على سبيل المثال. وأظهرت نماذجنا أن هذه الكتل المتراكبة كانت، في الواقع، في بعض النطاقات أو النسب المحددة - كما تنبأ بيكينشتاين. ولم نفترض حدوث أي نمط من هذا القبيل، لذا فإن حقيقة أننا وجدنا هذا الدليل كانت مفاجئة للغاية".

ويقول الباحثون إن النتائج توفر مسارا للتحقيق المستقبلي في مفاهيم الجاذبية الكمومية، مثل الثقوب السوداء الكمومية وفراغ الزمكان. ومن أجل تطوير وصف كامل للجاذبية الكمية، فإن إدراج هذه المفاهيم أمر بالغ الأهمية.

ويسمح بحثهم أيضا بإجراء تحقيق أكثر تفصيلا في ذلك الزمكان المتراكب، وتأثيراته على الجسيمات الموجودة بداخله.

ويقول زيك: "يكشف لنا الكون أنه دائما ما يكون غريبا وغامضا ورائعا أكثر مما كان يتخيله معظمنا".

نُشر البحث في مجلة Physical Review Letters.

المصدر: ساينس ألرت