الديناميكا الحرارية في الثقب الأسود. طور العلماء الدارسون للظواهر كالحرارة وسلوك الغازات ذات الكثافة المنخفضة، في القرن التاسع عشر، نظريةً وأطلقوا عليها اسم الديناميكا الحرارية. تصف النظرية كما يشير اسمها السلوك الديناميكي للحرارة (أو الطاقة بشكل أعم). يتجسد لب نظرية الديناميكا الحرارية بقوانينها الأربعة الأساسية. ينص القانون الصفري: «إذا كان جسم ما A في حالة توازن ثرموديناميكي (حراري) مع جسم آخر B أي لا يوجد تدفق للطاقة بينهما، وكان هناك جسم C في حالة توازن ثرموديناميكي مع B عندها يكون الجسمان A وC في حالة توازن ثرموديناميكي مع بعضهما».
عندما تكون الأجسام في حالة توازن ثرموديناميكي فإنها تمتلك نفس درجة الحرارة، ولهذا فهناك طريقة أخرى لصياغة هذا القانون إذ نقول: «إذا كان لدى الجسم A نفس درجة حرارة الجسم B، وكان للجسم C نفس درجة حرارة الجسم B، عندها تكون درجة حرارة الجسمين A وC متساوية».
يكون القانون واضحًا بصورة أفضل عندما نصيغه بهذه الطريقة ولهذا فهو ليس معروفًا بمثابة قانون أول للديناميكا الحرارية. طُورت القوانين اللاحقة أولًا وعندما حُددت أصبح واضحًا لماذا يُعتبر القانون الصفري خاصية فيزيائية وليس افتراضًا.
ينص القانون الأول على أن الطاقة محفوظة. بما أن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة فهذا يعني أن الجسم الذي ترتفع درجة حرارته يجب أن يكسب طاقة من مكان آخر، وعلى نفس المنوال فإن الطاقة التي يخسرها الجسم الذي تنقص درجة حرارته (يبرد) يجب أن يحصل عليها جسم آخر. عُرف مبدأ حفظ الطاقة قبل تقديم نظرية الديناميكا الحرارية ولكن عرَّف هذا القانون الحرارة باعتبارها شكلًا من أشكال الطاقة.
قد يكون القانون الثاني أكثر قانون مفهوم بشكل خاطئ من بين قوانين الديناميكا الحرارية. يمكن تلخصيه بأبسط شكل على أنه: «تنتقل الحرارة من الأجسام الساخنة إلى الأجسام الباردة». لكن يصبح القانون مفيدًا أكثر عند تدخيل مفهوم الإنتروبي إليه، وفي هذه الحالة يصبح القانون: «لا يمكن أن تنقص إنتروبي نظام معين أبدًا».
يفسر أغلب الناس الإنتروبي على أنها حالة عدم الانتظام في نظام ما، أو أنها الجزء غير المستخدم من نظام ما، هذا يعني أن الأشياء تصبح غير مفيدة بتقدم الزمن، ولهذا يعتمد المشككون بالتطور على هذا الافتراض، فهو يخرق القانون الثاني من قوانين الديناميكا الحرارية.
تُعبر الإنتروبي في الواقع عن مستوى المعلومات التي نحتاجها لوصف نظام ما. يسهل وصف نظام منتظم (مثلًا الرخام ينتظم في شبكة متساوية) لأن الأجسام المشكلة لهذا النظام لها علاقة بسيطة بين بعضها.
على الطرف الآخر، فإن النظام غير المنتظم (تبعثر الرخام بشكل عشوائي) يحتاج إلى معلومات أكثر لوصفه، وذلك لعدم وجود نمط محدد للأجسام المشكلة له، لهذا عندما يقول القانون الثاني إن الإنتروبي لنظام ما لا يمكن أن تزيد أبدًا فهو يقول إن المعلومات الفيزيائية للنظام لا يمكن أن تزيد. بكلمات أخرى، لا يمكن للمعلومات أن تتلاشى.
ينص القانون الثالث على أن الجسم عند درجة الصفر المطلق يكون في أخفض درجة ممكنة من الإنتروبي (عادةً ما تُعتبر صفر إنتروبي). إحدى عواقب هذا القانون أنه لا يمكن تبريد جسم ما إلى درجة الصفر المطلق.
تُوصف الثقوب السوداء ببساطة من خلال كتلتها وشحنتها ودورانها. وبسبب هذا، في حال ألقينا جسمًا (يمتلك كمية إنتروبي ضخمة) إلى داخل ثقب أسود، ستختفي الإنتروبي ببساطة. بكلمات أخرى، ستصغر إنتروبي النظام وهذا يخرق القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
إذا أخذنا طريقة أخرى للنظر إلى الأمر فإن الثقب الأسود يمتلك درجة حرارة صفر مطلق، وهذا يعني أننا إذا أخذنا كتلة ذات درجة حرارة عالية ورميناها إلى داخل ثقب أسود، سيبردها الثقب الأسود إلى درجة الصفر المطلق وهذا يخرق القانون الثالث للديناميكا الحرارية.
هذا الكلام بالطبع يتجاهل تأثيرات ميكانيكا الكم. عند أخذ ميكانيكا الكم بعين الاعتبار، تُصدر الثقوب السوداء الضوء وبعض الجسيمات الأخرى في عملية تُعرف باسم إشعاع هوكينغ. بما أن الثقب الأسود الكمومي يصدر الحرارة والضوء فهو يمتلك درجة حرارة، وهذا يعني أن الثقوب السوداء تخضع لقوانين الديناميكا الحرارية.
تُعد مكاملة النسبية العامة وميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية في وصف شامل للثقوب السوداء أمرًا معقدًا جدًا، ولكن يمكن التعبير عن الخصائص الأساسية باعتبارها مجموعة بسيطة إلى حد ما من القواعد تُعرف باسم الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء. يمكن إعادة التعبير عن قوانين الديناميكا الحرارية بمعايير تخص الثقوب السوداء.
ينص القانون الصفري على أن الثقب الأسود البسيط وغير الدائر يملك جاذبية موحدة عند أفق الحدث الخاص به، وهذا مشابه للقول بأن هذا الثقب الأسود في حالة توازن ثرموديناميكي.
ينص القانون الثاني على أنه لا يمكن لإنتروبي الثقب الأسود أن تقل. إحدى عواقب هذا القانون أنه عند اندماج ثقبين أسودين، يجب أن تكون مساحة سطح أفق حدث الاندماج أكبر من مساحات سطحي الثقبين قبل الاندماج.
ينص القانون الثالث على أن الثقوب السوداء الضخمة (تلك التي تمتلك أقل شحنة ودوران ممكنين) تمتلك حدًا أدنى من الإنتروبي. وهذا يعني أنه من المستحيل تشكيل ثقب أسود ضخم، على سبيل المثال من المستحيل تدوير ثقب أسود بسرعة لأنه سينهار على نفسه.
إن الجانب الإيجابي من وجود الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء هي توفيرها لطريقة للتعامل مع التفاعلات المعقدة التي تحدث في الثقوب السوداء. إن الثقوب السوداء الثرموديناميكية لا تمتلك كتلة وشحنة ودورانًا فقط بل أيضًا درجة حرارة وإنتروبي. يبدو أنه يمكن تطبيق القواعد التي وُضعت لوصف احترار وتبرُّد الغازات البسيطة على الثقوب السوداء.
اقرأ أيضًا:
الموت الحراري للكون – متى يموت الكون وما هو مصيره؟
هكذا رثى العلماء ستيفن هوكينغ – الكلام مثر جدًا
ترجمة: مازن سفّان
تدقيق: نغم رابي
