Probing quantum chaos near a wormhole throat with a circular string

في المشهد الشاسع للفيزياء الحديثة، غالبًا ما تبدو فكرتان وكأنهما تقفان على طرفي نقيض من انقسام ما. في أحد الجانبين، نجد دراسة الفوضى (الخوارزمية)، وهي علم كيفية أداء التغييرات الطفيفة في الظروف الأولية لنظام ما في إدخال نتائج مختلفة تمامًا، وهي ظاهرة تجعل التنبؤ بالطقس على المدى الطويل مستحيلاً وتدعم عملية بعثرة المعلومات في الثقوب السوداء. وعلى الجانب الآخر، نجد دراسة الثقوب الدودية، وهي أنفاق نظرية عبر الزمكان تربط بين مناطق متباعدة في الكون. وبينما تشتهر الثقوب السوداء بآفاق أحداثها وقدرتها على إخفاء المعلومات، تُعرف الثقوب الدودية بانفتاحها؛ فهي ممرات يمكن عبورها دون وجود نقطة لا عودة. لعقود من الزمن، تساءل الفيزيائيون عن كيفية تفاعل هذين المفهومين. هل مجرد وجود عنق الثقب الدودي، وهو الجزء الأضيق من النفق، يخلق بيئة تصبح فيها المعلومات فوضوية؟ أم أن الهندسة السلسة والمستقرة للثقب الدودي أكثر نظامًا من أن تولد مثل هذا الاضطراب؟ إن الإجابة على هذا السؤال تتطلب النظر إلى الكون ليس فقط كمسرح لأجرام ضخمة، بل كوسيط يمكن سبر أغواره بواسطة أصغر التموجات الممكنة.

لقد أخذ فريق من الباحثين نظرة جديدة على هذه المشكلة من خلال محاكاة نوع محدد من المجسات: حلقة دائرية من خيط تتحرك عبر ثقب دودي. في عالم الفيزياء النظرية، الخيط ليس قطعة من الحبل، بل هو كائن أحادي البعد يمكنه الاهتزاز والتمدد. ركز الباحثون على سيناريو يكون فيه هذا الخيط كبيرًا بما يكفي ليدور حول عنق الثقب الدودي، ومع ذلك صغيرًا بما يكفي ليُعامل كجسم اختبار لا يشوه النفق نفسه. وقد طرحوا سؤالًا دقيقًا: بينما يمر هذا الخيط عبر أضيق جزء من الثقب الدودي، هل تتصرف اهتزازاته الداخلية بطريقة فوضوية؟ وللتعرف على ذلك، لم يبحثوا عن تمزق الخيط أو تطايره؛ بل بدلاً من ذلك، فحصوا كيفية تطور التقلبات الكمومية للخيط — تلك الارتجافات العشوائية الصغيرة التي توجد حتى في الفضاء الفارغ — بمرور الوقت. واستخدموا أداة حديثة تسمى "المترابط خارج الترتيب الزمني" (out-of-time-ordered correlator)، والتي تعمل كمستشعر حساس لكيفية فقدان النظام لتتبعه لحالته الأولية. وإذا نمت التقلبات بنمط أسي محدد، فإن ذلك يشير إلى أن النظام يقوم ببعثرة المعلومات، وهي سمة مميزة للفوضى الكمومية.

بدأت الدراسة بتحديد السلوك المرجعي للخيط. قام الباحثون بحساب مسار خيط دائري يتحرك عبر هندسة ثقب دودي قياسية وسلسة. ووجدوا أن الحركة الرئيسية للخيط مستقرة وإيقاعية تمامًا؛ فهو يمر عبر العنق، ويصل إلى الجانب الآخر، ثم يستدير ويعود، في دورة متكررة، تمامًا مثل بندول يتأرجح في فراغ. لا يوجد عدم استقرار في هذا المسار الرئيسي؛ فالخيط لا ينحرف خارج السيطرة. ومع ذلك، كان الباحثون يعلمون أن الخيط ليس مجرد خط واحد، بل له أنماط داخلية، مثل الطرق المختلفة التي يمكن أن يهتز بها وتر الغيتار. وقد ركزوا على الاتجاهين اللذين يمكن للخيط من خلالهما أن يتذبذب جانبًا أثناء تحركه عبر النفق. هذه التذبذبات تخضع لقوة الجاذبية المتغيرة للثقب الدودي، والتي تعمل كحقل قوة متغير مع الزمن.

وعندما أدخل الباحثون ميكانيكا الكم في هذه الصورة، اكتشفوا شيئًا مفاجئًا. فعلى الرغم من أن المسار الرئيسي للخيط مستقر، إلا أن التذبذبات الداخلية للخيط لا تظل هادئة. فبينما يمر الخيط عبر العنق، تعمل هندسة الزمكان المتغيرة كمضخم مؤقت لهذه الاهتزازات. تتبع الباحثون نمو هذه التقلبات ووجدوا أنه خلال لحظة وجيزة أثناء المرور، تنمو الاهتزازات بشكل أسي. هذا النمو هو العلامة المميزة للفوضى الكمومية. وهذا يعني أن الحالة الداخلية للخيط تصبح حساسة للغاية لظروفها الأولية، مما يؤدي إلى بعثرة المعلومات بطريقة تميز الأنظمة الفوضوية. يحدث هذا رغم أن الخيط نفسه لا يسقط في ثقب أسود وليس محتجزًا بقوة غير مستقرة. إن الفوضى ناتجة بحتًا عن هندسة عنق الثقب الدودي التي تؤثر على الطبيعة الكمومية للخيط.

ولفهم مدى قوة هذه النتيجة، اختبر الفريق السيناريو مع أنواع مختلفة من الثقوب الدودية. لقد أدخلوا "عيبًا طوبولوجيًا"، والذي يمكن اعتباره "عقدة" طفيفة أو وتراً مفقوداً في نسيج الفضاء حول الثقب الدودي، مما يغير فعليًا شكل مقطع النفق العرضي. ووجدوا أن هذا العيب يعمل كـ "مفتاح تحكم" في الفوضى. فعندما يكون العيب صغيرًا، يكون النمو الفوضوي قويًا. ومع زيادة حجم العيب، تضعف الإشارة الفوضوية. وفي الاتجاه الشعاعي — الاتجاه الذي يشير نحو مركز النفق — يمكن كبح النمو الفوضوي بشكل شبه كامل إذا كان العيب قويًا بما يكفي. أما الاتجاه الزاوي، الذي يدور حول محيط النفق، فيحتفظ ببعض السلوك الفوضوي، لكنه يصبح أكثر تعقيدًا وأقل قابلية للتنبؤ. وهذا يوضح أن الاستجابة الفوضوية ليست سمة عالمية لجميع الثقوب الدودية، بل تعتمد بدقة على الشكل المحدد وطوبولوجيا الزمكان الذي يسافر عبره الخيط.

لقد كان الباحثون حذرين في تمييز هذه النتيجة عن الأنواع الأخرى من الفوضى. فقد أكدوا أن النمو الأسي الذي لاحظوه هو ظاهرة "زمنية محدودة". فهي تحدث خلال النافذة المحددة التي يمر فيها الخيط عبر العنق. إنها ليست حالة عدم استقرار أبدية أو جامحة من شأنها تدمير الخيط أو الثقب الدودي، بل هي نبضة عابرة من الحساسية، ومضة لحظية من الفوضى تتلاشى مع ابتعاد الخيط عن العنق. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن الثقب الدودي يظل هيكلًا مستقرًا ويمكن عبوره، حتى بينما يحفز لفترة وجيزة سلوكًا فوضويًا في مسبار عابر. كما أوضحت الدراسة أن هذه النتيجة خاصة بالتقلبات الكمومية للخيط؛ فالمسار الرئيسي للخيط يظل مستقرًا، وتقتصر الفوضى على القطاع الكمومي. وهذا يشير إلى أن عنق الثقب الدودي يمكن أن يعمل كمصدر موضعي للحساسية الديناميكية، قادر على بعثرة المعلومات الكمومية دون الحاجة إلى الظروف القصوى لأفق الثقب الأسود.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما وراء النموذج المحدد للخيط الدائري. فالمنهج الذي استخدمه الباحثون يوفر طريقة جديدة لاختبار الفوضى في أي زمكان منحني، دون الحاجة إلى الآلات الرياضية المعقدة المرتبطة عادةً بالثقوب السوداء أو النظريات الهولوغرافية. ومن خلال التركيز على التطور في الوقت الحقيقي لمسبار كمومي، فقد أنشأوا إطارًا يمكن تطبيقه على أشكال هندسية غريبة أخرى، مثل تلك المحيطة بالنجوم النيوترونية أو الأجرام الأخرى التي لا تمتلك أفق حدث. وتشير النتائج إلى أن الحدود بين النظام والفوضى في الكون أكثر دقة مما كان يُعتقد سابقًا؛ إذ يمكن لمنطقة من الفضاء أن تكون مستقرة عالميًا وقابلة للعبور، ومع ذلك تكون قادرة محليًا على توليد تقلبات فوضوية شديدة. وهذا يضيف طبقة جديدة لفهمنا لكيفية تفاعل الجاذبية مع ميكانيكا الكم، موضحًا أن هندسة الزمكان نفسها يمكن أن تعمل كمحفز لبعثرة المعلومات، حتى في غياب الثقب الأسود.

في نهاية المطيط، ترسم هذه الأبحاث صورة لعنق الثقب الدودي ليس كنفق سلبي، بل كمشارك نشط في الديناميكيات الكمومية للكون. إنها تثبت أن التفاعل بين شكل الفضاء والطبيعة الكمومية للمادة يمكن أن ينتج سلوكيات فوضوية معقدة بطرق لم تكن متوقعة عند النظر في المسارات الكلاسيكية وحدها. وتؤكد الدراسة أن الفوضى الكمومية ليست حكرًا على الثقوب السوداء؛ بل يمكن أن تظهر في أكثر زوايا الكون انفتاحًا وقابلية للعبور، مدفوعة بمد وجزر هندسة الثقب الدودي المتغيرة مع الزمن. وهذا يفتح الباب أمام مزيد من التحقيقات حول كيفية معالجة المعلومات وبعثرتها في البنية العميقة للزمكان، مما يقدم منظورًا جديدًا للطبيعة الأساسية للواقع.