Decoupled asymmetric thin-shell wormholes

تخيل الكون ليس مجرد مسرح للنجوم والمجرات، بل كنسيج يمكن طيه، ومطه، وحتى ثقبه. في مجال النسبية العامة، وهي النظرية التي تصف كيف تشكل الجاذبية الزمكان، توجد إمكانية نظرية تسمى الثقب الدودي. فكر فيه كأنبوب يربط بين نقطتين متباعدتين في الكون، مما يوفر طريقاً مختصراً عبر اتساع الفضاء. لعقود من الزمن، عرف الفيزيائيون أنه لابقاء مثل هذا النفق مفتوحاً وقابلاً للعبور، سيتطلب الأمر نوعاً غريباً جداً من المادة. يجب أن تدفع هذه المادة نحو الخارج ضد الجاذبية، متحدية القواعد المعتادة التي تحكم سلوك المادة، مثل الطريقة التي تسقط بها صخرة أو تشرق بها نجمة. يخلق هذا المتطلب لغزاً: فبينما تسمح رياضيات معادلات أينشتاين بوجود هذه الأنفاق، يبدو أن المادة الفيزيائية اللازمة لبنائها تنتهك شروط الطاقة الأساسية التي يبدو أن الطبيعة تتبعها في كل مكان آخر.

لدراسة هذه الهياكل الغريبة دون الضياع في المستحيل، غالباً ما يستخدم العلماء نموذجاً مبسطاً يُعرف باسم الثقب الدودي ذو القشرة الرقيقة. فبدلاً من محاولة بناء نفق من مادة مستمرة وغريبة، يتخيلون قطع منطقتين منفصلتين من الفضاء ولصقهما معاً عند حدود محددة، تماماً مثل حياكة قطعتين من القماش. هذا "الدرز" حيث يلتقيان هو حلق الثقب الدودي. هذا الدرز هو المكان الذي تعيش فيه المادة الغريبة، بينما يظل بقية الكون على كلا الجانبين طبيعياً. يسمح هذا النهج للباحثين بفصل الشكل العالمي للنفق عن الخصائص المحددة للمادة التي تبقيه مفتوحاً، مما يحول مسألة معقدة إلى مسألة يمكن السيطرة عليها. يصبح السؤال هو: ماذا يحدث إذا لم يكن جانبا النفق متطابقين؟ ماذا لو كان أحد الجانبين عبارة عن فضاء فارغ قياسي، والجانب الآخر فضاء تم تعديله بشكل طفيف بواسطة قوة خفية؟

استكشف فريق من الباحثين مؤخراً هذا السيناريو بالضبط، حيث قاموا ببناء ثقب دودي يكون فيه الجانبان مختلفين جوهرياً. في أحد الجانبين، وضعوا ثقباً أسود قياسياً، وهو منطقة من الفضاء كثيفة جداً لدرجة لا يمكن لأي شيء الهروب منها، موصوفة بمعادلات كارل شوارزشيلد الكلاسيكية. وعلى الجانب الآخر، استخدموا نسخة من ذلك الثقب الأسود نفسه التي تم تشويهها بواسطة تقنية نظرية محددة تسمى "فك الارتباط الثقالي". تسمح هذه التقنية للفيزيائيين بإضافة طبقة جديدة من التعقيد إلى حل معروف دون تغيير ميزاته الأساسية، مثل كتلته الإجمالية أو طريقة تدفق الزمن بالقرب منه. في هذا البناء المحدد، نتج التشويه عن مجال قياسي (scalar field)، وهو نوع من الطاقة غير المرئية، يتفاعل مع المجالات الكهرومغناطيسية. اختار الباحثون نسخة من هذا التفاعل حيث تظل الفيزياء "حقيقية" ومنضبطة، متجنبين الهراء الرياضي مثل الأعداد التخيلية. والنتيجة هي نفق يبدو مدخلاه متطابقين من مسافة بعيدة من حيث الكتلة وتدفق الزمن، لكن الفضاء داخل أحد المدخلين يختلف اختلافاً طفيفاً عن الآخر.

اكتشف الفريق أن هذا عدم التماثل يخلق توازناً رائعاً للقوى. فعندما حسبوا إجمالي الطاقة المطلوبة لإبقاء النفق مفتوحاً، وجدوا علاقة رياضية دقيقة بين المادة الغريبة في الدرز والطاقة الغريبة التي تملأ الجانب المشوه من النفق. في النسخة المتماثلة القياسية لهذه الثقوب الدودية، تكون المادة الغريبة دائماً سالبة، مما يعني أنها تنتهك قواعد الطاقة المعتادة. ومع ذلك، في هذا الإعداد الجديد غير المتماثل، وجد الباحثون أنه إذا كان التشويه قوياً بما يكفي، فإن طاقة النبض الشعاعي الموجبة من الجانب المشوه يمكن أن تلغي بالفعل الطاقة السالبة للدرز. وهذا يعني أن النظام بأكره، عند النظر إليه ككل، يكتسب طاقة نبض شعاعية موجبة، على الرغم من أن الدرز نفسه لا يزال يتطلب مادة غريبة وتظل شروط الطاقة المماسية منتهكة. الأمر كما لو أن التعقيد الخفي في أحد جانبي النفق يوفر الدفعة اللازمة لتثبيت الجانب الآخر، مما يعيد توزيع "الغرابة" بدلاً من إزالتها.

هذا التوازن له تأثير مباشر على استقرار الثقب الدودي. فالثقب الدودي يكون مفيداً فقط إذا لم ينهار في اللحظة التي يحاول فيها شيء ما المرور عبره. أظهر الباحثون أن استقرار الحلق يعتمد على تدفق محدد للزخم بين الدرز والفضاء المحيط به. في الحالة المتماثلة، غالباً ما يكون النفق غير مستقر ما لم تتصرف المادة الموجودة على الدرز بطرق محددة للغاية، وغالباً ما تكون غير واقعية. ولكن في نموذجهم غير المتماثل، يغير التشويه القواعد. وجدوا أن نطاق الظروف التي يظل فيها الثقب الدودي مستقراً هو في الواقع أكبر، وأن النقطة التي ينتقل فيها النفق من الاستقرار إلى عدم الاستقرار تتحرك لتصبح أقرب إلى المركز، أي في عمق المنطقة حيث يدور الضوء عادةً حول الثقب الأسود. ومع ذلك، فقد لاحظوا أيضاً أن هذا النطاق الموسع من الاستقرار لا يصل أبداً إلى الفترة التقليدية للاستقرار حيث تتصرف القشرة كمادة عادية؛ بل يظل مقيداً باستجابات أكثر غرابة. يشير هذا إلى أن القوى الخفية في الجانب المشوه تجعل النفق أكثر متانة ضد الاضطرابات مقارنة بالحالة المتماثلة، لكنها لا تجعله مستقراً تحت جميع الظروف القياسية.

تناولت الدراسة أيضاً ما سيحدث إذا كان هذا الثقب الدودي يدور. ومن خلال توسيع نموذجهم ليشمل الدوران، على غرار الثقوب السوداء الحقيقية التي تدور، تمكنوا من حساب كيف يتم تقاسم الزخم الزاوي -أي دوران النظام- بين الدرز والفضاء المشوه. وجدوا أن الدرز يعمل كسائل دوار، حيث يحمل جزءاً معيناً من إجمالي الدوران، بينما يحمل الجزء المتبقي الفضاء المشوه نفسه. هذا التوزيع ثابت ودقيق، وتحدده قوة التشويه عند النقطة التي يلتقي فيها الجانبان. علاوة على ذلك، قدروا الموجات الثقالية التي قد يصدرها هذا الثقب الدودي الدوار والمتذبذب. إذا مال الحلق أو ترنح، مثل قطعة "البلبل" (spinning top) التي تفتقر إلى التوازن، فإنه سيرسل تموجات في الزمكان. ستعتمد ترددات هذه التموجات على كتلة وحجم النفق، لكن قوة الإشارة ستتحدد مباشرة بحجم التشويه.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل طريقة جديدة للتفكير في كيفية اختباء الأجسام الغريبة في وضح النهار. ولأن جانبي الثقب الدودي يتشاركان في نفس خصائص الكتلة وتدفق الزمن كالثقب الأسود القياسي، فلن يرى المراقب من بعيد أي فرق في انحناء الضوء حوله أو في مدارات النجوم القريبة. الطريقة الوحيدة لاكتشاف مثل هذا الجسم ستكون من خلال مراقبة ديناميكيات الحلق نفسه. إذا تذبذب النفق أو ترنح، فسيصدر موجات ثقالية بترددات محددة. ويشير الباحثون إلى أن الكواشف المستقبلية، التي أصبحت قادرة على سماع هذه الهمسات الخافتة من الكون، يمكنها تحديد هذه الإشارات. لن يكون التوقيع الفريد عبارة عن تغيير في تردد الموجات، بل سيكون تغيراً محدداً في سعتها، وهو بصمة تركها التشويه الخفي. وهذا يوفر مساراً ملموساً لاختبار ما إذا كان الكون قد يحتوي على هذه المسارات المختصرة الغريبة، ليس من خلال رؤيتها مباشرة، بل من خلال الاستماع إلى كيفية اهتزازها.