Horizon entropy does not by itself determine a force between black holes

غالبًا ما تُوصف الثقوب السوداء بأنها فخاخ كونية مطلقة، وهي مناطق تكون فيها الجاذبية شديدة لدرجة أن لا شيء، ولا حتى الضوء، يمكنه الهروب منها. لعقود من الزمن، فهم الفيزيائيون هذه الأجسام من خلال عدسة تجمع بين الجاذبية والديناميكا الحرارية، وهو فرع الفيزياء الذي يتعامل مع الحرارة والطاقة. تنص قاعدة شهيرة وُضعت في السبعينيات على أن سطح الثقب الأسود، المعروف باسم أفقه، يمتلك مقدارًا من الاضطراب يُسمى الإنتروبيا (الاعتلاج)، وهو مرتبط مباشرة بحجمه. تمامًا كما أن كوب القهوة الساخن يحتوي على طاقة حرارية أكثر من الكوب البارد، فإن الثقب الأسود الأكبر يمتلك إنتروبيا أكثر من الثقب الأصغر. يشير هذا الارتباط إلى أنه إذا تمكنت بطريقة ما من تغيير شكل أو حجم سطح الثقب الأسود، فقد تتمكن من حساب قوة، تمامًا كما يؤدي شد شريط مطاطي إلى خلق توتر. وقد اقترح بعض الباحثين أن هذا التوتر الإنتروبي قد يعمل كنوع جديد من القوى بين ثقبين أسودين، مما قد يدفعهما بعيدًا عن بعضهما البعض أو يجذبهما معًا بطرق لا تتنبأ بها الجاذبية القياسية.

لقد استقصى فريق من الباحثين هذه الفكرة الآن بدقة متناهية، وطرحوا سؤالًا بسيطًا ولكنه صعب: إذا كان لديك ثقبان أسودان، فهل الطريقة التي تتوزع بها إنتروبيا سطحهما تخلق قوة قابلة للقياس بينهما؟ لقد شرعوا في اختبار نظرية محددة اقترحت وجود مثل هذه القوة، وهي قوة ستظهر كتنافر طفيف بين الجسمين. ومن خلال فحص الوصف الرياضي الدقيق لثقبين أسودين يستقران ساكنين في الفضاء، اكتشف الفريق أن القوة المقترحة ليست تفاعلًا فيزيائيًا حقيقيًا على الإطلاق. بدلاً من ذلك، وجدوا أن الحساب الذي أدى إلى هذه القوة يعتمد على اختيار تعسفي لكيفية تسمية النقاط على سطح الثقب الأسود. وعندما راعى الباحثون حقيقة أن هذه التسميات يمكن تغييرها دون تغيير الواقع الفيزيائي للثقب الأسود، اختفت القوة المزعومة. ويخلص البحث إلى أن إنتروبيا الأفق، بحد ذاتها، لا تحدد قوة بين الثقوب السوداء، وأن التقارير السابقة عن مثل هذه القوة كانت نتيجة أثر رياضي وليست قانونًا جديدًا للطبيعة.

لفهم كيفية وصولهم إلى هذا الاستنتاج، يجب على المرء أولاً أن ينظر إلى كيفية وصف الفيزيائيين لسطح الثقب الأسود. تخيل الأفق ليس كغلاف صلب، بل كجلد مرن ثنائي الأبعاد يطفو في الفضاء. في السيناريو الذي درسه الفريق، وُضع ثقبان أسودان بالقرب من بعضهما البعض في لقطة زمنية حيث يكونان في حالة سكون مؤقت. أراد الباحثون معرفة ما يحدث للإنتروبيا على سطح أحد الثقبين الأسودين مع تغير المسافة إلى الآخر. إذا تغيرت الإنتروبيا على الجانب القريب من الثقب الأسود بشكل مختلف عن الإنتروبيا على الجانب البعيد، فقد يؤدي ذلك إلى خلق فرق في الضغط، تمامًا كما أن الرياح التي تهب على جانب واحد من شراع تدفع قاربًا. افترضت النظرية التي اختبروها أنه يمكنك تتبع بقع محددة من هذا السطح أثناء تحرك الثقوب السوداء، وحساب كيفية تغير إنتروبيا كل بقعة لإيجال قوة ناتجة.

ومع ذلك، وجد الباحثون مشكلة جوهرية في طريقة التتبع هذه. فسطح الثقب الأسود هو كائن رياضي لا يأتي مع خريطة مدمجة أو مجموعة من لافتات الشوارع التي تخبرك أي نقطة على السطح تقابل أي نقطة أخرى في لحظة مختلفة. لإجراء الحساب، يجب ابتكار طريقة لمطابقة النقاط على الثقب الأسود الأول مع النقاط على الثقب الثاني. وقد أظهر الفريق أنك إذا اخترت طريقة واحدة لمطابقة هذه النقاط، فستحصل على قوة غير صفرية. ولكن إذا اخترت طريقة أخرى، صحيحة بنفس القدر، لمطابقتها، فإن القوة تتغير تمامًا. في الواقع، من خلال مجرد تغيير تسميات السطح، يمكن جعل القوة المحسوبة تختفي تمامًا أو حتى تعكس اتجاهها. وهذا يعني أن القوة ليست خاصية للثقوب السوداء نفسها، بل هي خاصية للخريطة التعسفية المستخدمة لوصفها.

ذهب الفريق إلى أبعد من ذلك لتحديد مصدر هذه القوة "الشبحية" بدقة. واكتشفوا أن التنافر الظاهري كان ناتجًا بالكامل عن تشوه محدد في كيفية توزيع مساحة السطح، وهو تشوه بدا وكأنه "ثنائي قطب" (dipole)، أو انفصال بين الشحنات الموجبة والسالبة. بلغة الدراسة، لم يكن هذا الثنائي القطبي نتوءًا أو انبعاجًا فيزيائيًا حقيقيًا في شكل الثقب الأسود. بدلاً من ذلك، كان وهمًا ناتجًا عن الطريقة التي يشاهد بها الباحثون الثقب الأسود من مسافة بعيدة. يخلق الثقب الأسود المرافق مجالًا منتظمًا يمدد الفضاء حول الثقب الأسود الأول، لكن هذا التمدد هو مجرد مسأ ever من منظور الرؤية. عندما عدل الباحثون رؤيتهم إلى "إطار متوازن" — وهي طريقة للنظر إلى الثقب الأسود حيث يتم توزيع مساحة السطح بأكثر طريقة ممكنة توازنًا نظرًا لشكلة — اختفى ثنائي القطب. وفي هذه الرؤية المتوازنة، اختفت القوة، مما أكد أن التنافر لم يكن موجودًا من الأساس.

كما تحقق البحث مما إذا كانت هذه القوة قد تظهر في موقف أكثر واقعية وديناميكية حيث تتحرك الثقوب السوداء وتتفاعل فعليًا عبر الزمن. قاموا بمحاكاة تطور الثقوب السوداء باستخدام طريقتين مختلفتين ومعتمدتين لتتبع كيفية تغير الأفق. وفي كلتا الحالتين، لم يتطابق التحرك الفعلي لمساحة السطح مع النمط المطلوب لخلق هذه القوة المقترحة. كانت التغيرات الفيزيائية الحقيقية في سطح الثقب الأسود صغيرة جدًا وتحدث بمعدل أبطأ بكثير مما تتطلبه النظرية. ووجد الباحثون أن النمط المحدد لإعادة توزيع المساحة اللازم لتوليد القوة لا يحدث ببساطة بالطريقة التي تنبأت بها النظرية؛ إذ لا يقوم الأفق بنقل "ثنائي القطب" الإنتروبي الضروري عبر سطحه لخلق دفع أو جذب.

يحل هذا العمل صراعًا بين فكرة القوى الإنتروبية وقوانين الجاذبية الراسخة. فلو كانت هذه القوة المقترحة حقيقية، لغيرت الطريقة التي تدور بها الثقوب السودود حول بعضها البعض، مما يغير توقيت الموجات الجاذبية التي تصدرها بطريقة لم تُلاحظ بعد. وقد حسب الباحثون أنه لو وجدت هذه القوة، لكانت قد أزاحت معاملًا محددًا في الطاقة المدارية بمقدار دقيق، وهو أمر كان سيُكتشف في الملاحظات الأخيرة لاندماج الثقوب السوداء. وبما أنه لم يتم العثور على مثل هذا الانزياح، وبما أن الاشتقاق الرياضي للقوة يعتمد على اختيار تسمية تعسفي، فإن الاستنتاج يعد قويًا: القوة غير موجودة. إن إنتروبيا أفق الثقب الأسود هي مفهوم قوي يساعدنا على فهم طبيعة الجاذبية والمعلومات، لكنها لا تولد، بمفردها، قوة ميكانيكية بين ثقبين أسودين. لقد كان الدفع الظاهري مجرد سراب ناتج عن كيفية إعداد الحساب، وليس ميزة جديدة في الكون.