Full set of scenarios of high energy collision in the Schwarzschild background and kinematic censorship

في المسرح الشاسع للكون، غالبًا ما تُتخيل الثقوب السوداء كمكنسات كونية تبتلع كل ما يقترب منها كثيرًا. لكن بالنسبة للفيزيائيين، فهي أيضًا مختبرات لأكثر الظروف تطرفًا التي يمكن تخيلها، حيث تنحني قواعد الزمان والمكان حتى تكاد تنكسر. لأكثر من عقد من الزمان، استحوذ سؤال محدد على ألباب الباحثين: إذا اصطدم جسيمان ببعضهما البعض بالقرب من حافة ثقب أسود، فهل يمكن لهذا الاصطدام أن يطلق كمية لا نهائية من الطاقة؟ هذه الفكرة، المعروفة باسم تأثير "بانادوس-سيلك-ويست"، اقترحت أنه في ظل ظروف محددة للغاية تتعلق بالثقوب السوداء الدوارة، يمكن لطاقة التصادم أن تنمو بلا حدود. ومع ذلك، فإن كوننا مليء بالثقوب السوداء غير الدوارة، وهي النوع الأبسط، ولعقد من الزمن بدا من المستحيل حدوث مثل هذا التصادم هناك؛ إذ ظلت نواتج الطاقة محدودة بصرامة، ومقفلة عند قيمة متواضعة. ومع ذلك، اعتمد هذا الاستنتاج على النظر فقط إلى العالم خارج الثقب الأسود. ولفهم الصورة الكاملة، يجب على المرء مراعاة الخريطة الكاملة للزمكان التي توفرها معادلات أينشتاين، وهي خريطة لا تشمل كوننا والثقب الأسود فحسب، بل تشمل أيضًا "كونًا مرآتيًا" غامضًا وثقبًا أبيض — وهو منطقة يمكن للمادة والضوء من خلالها الخروج فقط، ولا يمكنهما الدخول أبدًا.

قام فريق من الباحثين الآن بإجراء نظرة شاملة على هذه الخريطة الكاملة لمعرفة ما يحدث عندما تصطدم الجسيمات في هذه المناطق الخفية. لم يكتفوا بالنظر إلى الخارج المألوف؛ بل استكشفوا الهندسة بأكملها، بما في ذلك الثقب الأبيض والكون المرآتي، لتصنيف كل طريقة ممكنة لاصطدام الجسيمات ببعضها البعض. وتكشف أعمالهم أنه بينما لا تستطيع الثقوب السوداء البسيطة في كوننا إنتاج تصادمات ذات طاقة لانهائية بمفردها، فإن البنية الرياضية الكاملة للزمكان تسمح بسيناريوهات تصبح فيها نواتج الطاقة غير مقيدة. ومع ذلك، فإن القصة لا تنتهي بـ "نعم" بسيطة. فقد وجد الباحثون أنه بينما يمكن للطاقة أن تصبح كبيرة بشكل تعسفي، إلا أنها لا تصل أبدًا إلى اللانهاية بمعناها الفيزيائي. لقد كشفوا عن آلية دقيقة، أطلقوا عليها اسم "الرقابة الحركية" (kinematic censorship)، تمنع الطاقة من أن تصبح لانهائية حقًا، مما يحل مفارقة كانت توحي بغير ذلك.

بدأ الباحثون برسم خرائط لمناطق مختلفة من زمكان الثقب الأسود. تخيل مخططًا مقسمًا إلى أربعة مناطق متميزة. هناك كوننا، حيث نعيش، وداخل الثقب الأسود، حيث تتبادل الزمان والمكان الأدوار. ثم هناك كون مرآتي، وهو توأم رياضي لكوننا، ومنطقة ثقب أبيض، والتي تعمل كثقب أسود معكوس في الزمن، تقذف المادة للخارج بدلاً من ابتلاعها. في الرؤية القياسية، نحن نرى فقط خارج الثقب الأسود. لكن المخطط الكامل يربط جميع المناطق الأربع عبر آفاق (horizons)، وهي الحدود التي تفصل بينها. حلل الفريق كيفية تحرك الجسيمات عبر هذه المناطق؛ حيث نظروا في الجسيمات الساقطة للداخل، والجسيمات المتحركة للخارج، وحتى نوع خاص من المراقبين الذين يبقون في حالة سكون داخل الثقب الأسود أو الثقب الأبيض، وهي حالة مستحيلة الحفاظ عليها خارج الأفق دون قوة مستمرة.

اكتشفوا أن التصادمات عالية الطاقة يمكن أن تحدث في عدة سيناريوهات متميزة. في النوع الأكثر شيوعًا، يصطدم جسيمان وجهاً لوجه بالقرب من أفق. إذا جاءا من اتجاهات مختلفة، فإن طاقة اصطدامهما تنمو كلما اقتربا من الحدود. في المناطق خارج الثقب الأسود، يكون هذا النمو محدودًا. ولكن داخل الثقب الأسود أو في منطقة الثقب الأبيض، تسمح الظروف للطاقة بأن تنمو بشكل أكبر بكثير. حدد الباحثون ثمانية أنواع محددة من هذه التصادمات المواجهة، اعتمادًا على المنطقة التي يبدأ منها الجسيمان والأفق الذي يقتربان منه. وفي بعض هذه السيناريوهات، يمكن للطاقة أن تصبح ضخمة للغاية، متجاوزة أي شيء يمكننا إنتاجه في معجل الجسيمات على الأرض.

يتضمن أحد الحالات المثيرة للاهتمام بشكل خاص "مراقبًا ساكنًا"، وهو جسيم ثابت داخل الثقب الأسود أو الثقب الأبيض. في العالم الخارجي، لا يمكن للجسيم أن يبقى ساكنًا دون محرك صاروخي يدفعه؛ بل يجب أن يسقط. ولكن في الداخل، يكون تدفق الزمن مشوهًا لدرجة أن الجسيم يمكن أن يوجد في حالة سكون بالنسبة للإحداثيات. وعندما يصطدم جسيم ساكن بجسيم متحرك، فإن طاقة التصادم تنمو بشكل أكثر دراماتيكية من حالات التصادم المواجه. وجد الباحثون أنه إذا اصطدم جسيم ساكن بجسيم آخر بالقرب من مركز مخطط الزمكان، حيث تلتقي الآفاق، يمكن للطاقة أن تصبح غير مقيدة. وقد أدى هذا إلى سؤال محير: هل يمكن للطاقة أن تصبح لانهائية حقًا؟

تكمن الإجابة في التوقيت الدقيق لهذه الأحداث. فحص الباحثون ما يحدث عندما يحدث تصادم بالضبط عند النقطة التي تتقاطع فيها الآفاق، والمعروفة بنقطة التشعب (bifurcation point). في أحد السيناريوهات، إذا تحرك جسيم على طول الأفق واصطدم بجسيم آخر عند هذه النقطة تمامًا، فإن الرياضيات تشير إلى أن الطاقة ستكون لانهائية. ومع ذلك، أظهر الفريق أن هذا مجرد وهم؛ ففي الواقع، لا يمكن للجسيمات أن تتحرك تمامًا على طول الأفق بالطريقة المطلوبة لخلق هذه النتيجة اللانهائية. إذا حاولت إعداد التصادم ليحدث بالضبط عند نقطة الطاقة اللانهائية، فإن الجسيمات ببساطة ستخطئ بعضها البعض أو تصطدم في مكان مختلف حيث تكون الطاقة محدودة.

لفهم السبب، نظر الباحثون إلى المشكلة من زوايا مختلفة، باستخدام طرق مختلفة لقياس الزمان والمكان. ووجدوا أن الترتيب الذي تأخذ به النهايات (limits) أمر بالغ الأهمية. فإذا قمت أولاً بتقريب نقطة التصادم أكثر فأكثر من المركز ثم حاولت جعل الجسيم جسيمًا ساكنًا، تبدو الطاقة وكأنها تنفجر إلى اللانهاية. ولكن إذا قمت أولاً بإعداد جسيم ساكن ثم حركت نقطة التصادم، تظل الطاقة محدودة. هذان الطريقتان في الاقتراب من المشكلة لا تؤديان إلى نفس النتيجة. وهذا يعني أن سيناريو "الطاقة اللانهائية" هو مجرد أثر رياضي لا يمكن تحقيقه في حدث فيزيائي. إن مبدأ "الرقابة الحركية" يحكم الحقيقة: فالطبيعة تمنع وقوع حدث تكون فيه الطاقة لانهائية حرفيًا.

كما أوضحت الدراسة دور الثقب الأبيض والكون المرآتي. وبينما لا توجد هذه المناطق في واقعنا الفيزيائي — إذ لا يمكن تكوينها عن طريق انهيار نجم — إلا أنها أجزاء أساسية من الوصف الرياضي للثقب الأسود. ومن خلال تضمينها، تمكن الباحثون من رؤية النطاق الكامل لتصادمات الجسيمات. ووجدوا أن منطقة الثقب الأبيض حاسمة لبعض سيناريوهات الطاقة العالية، خاصة تلك التي تنشأ من التفرد (singularity) وتتحرك نحو الخارج. وبدون النظر في هذه المنطقة، ستكون الصورة المتاحة لما يمكن حدوثه بالقرب من ثقب أسود ناقصة.

في النهاية، تقدم الورقة تصنيفًا كاملًا لكيفية تصادم الجسيمات في خلفية "شفارزشيلد" (Schwarzschild background)، والتي تصف ثقبًا أسود غير دوار. وهي تؤكد أنه بينما يمكن لطاقة التصادم أن تصبح ضخمة جدًا، مقتربة من اللانهاية، إلا أنها لا تصل أبدًا إلى ذلك الحد. فالكون يمتلك رقابة داخلية تمنع الطاقة من أن تصبح لانهائية حقًا، مما يضمن بقاء قوانين الفيزياء متسقة حتى في أكثر البيئات تطرفًا. لا تقتصر أعمال هؤلاء الباحثين على تسوية مسألة طويلة الأمد حول حدود الطاقة في تصادمات الثقوب السوداء فحسب، بل تقدم أيضًا إطارًا لفهم ظواهر مماثلة في ثقوب سوداء أكثر تعقيدًا، مثل تلك التي تمتلك شحنة كهربائية أو آفاقًا داخلية. لقد أظهر الباحثون أنه حتى في أكثر زوايا الزمكان فوضوية وطاقة، تحافظ الطبيعة على نظام صارم، مانعةً حدوث المستحيل.