Nasz wszechświat jest pozostałością czarnej dziury

Kilka miesięcy temu współpraca LIGO-Virgo-KAGRA – wielomiliardowe przedsięwzięcie polegające na mierzeniu zjawisk nieskończenie małych – dostrzegła coś, co technicznie nie powinno istnieć. Był to sygnał fali grawitacyjnej pochodzący z kolizji obiektu znacząco lżejszego od naszego Słońca. Według standardowego modelu ewolucji gwiazd, żadna gwiazda nie może zapaść się do tak małej czarnej dziury. Można otrzymać albo gwiazdę neutronową, albo nic. A jednak, oto był: ciemny, zwarty obiekt ważący ułamek masy Słońca, drwiący z podręczników i komisji przetargowych, które je sfinansowały.

Ta anomalia to nie tylko ból głowy dla fizyków gwiazdowych w Garching czy Bonn; to szansa dla teorii, która niegdyś była spychana na margines dyskusji przy kawie. Jeśli czarne dziury mogą powstawać w sposób, którego nie rozumiemy, a ich fizyka wewnętrzna przeczy ostatecznej „osobliwości”, której nauczono nas oczekiwać, to matematyka zaczyna wskazywać na lokalny, niepokojący wniosek. Cały nasz obserwowalny wszechświat może być wnętrzem czarnej dziury istniejącej w znacznie większym „kosmosie macierzystym”.

Koniec osobliwości i narodziny „odbicia”

Przez dziesięciolecia Wielki Wybuch przedstawiano jako moment nieskończonej gęstości – osobliwości, w której prawa fizyki po prostu się poddawały. Ale dla inżyniera lub fizyka polegającego na danych, „nieskończoność” to zazwyczaj uprzejmy sposób na powiedzenie, że model zawiódł. Jeśli zastąpimy ogólną teorię względności Einsteina modelami uwzględniającymi „torsję” – właściwość fizyczną, w której czasoprzestrzeń nie tylko się zakrzywia, ale i skręca – osobliwość znika. W jej miejsce otrzymujemy „Wielkie Odbicie” (ang. Big Bounce).

W tym ujęciu, gdy masywna gwiazda w wszechświecie macierzystym zapada się w czarną dziurę, materia nie miażdży się do punktu matematycznego. Zamiast tego osiąga stan tak ekstremalnej gęstości, że „torsja” staje się siłą odpychającą. Zapadanie się zatrzymuje, odwraca i przechodzi w ekspansję. Nie rozszerza się jednak z powrotem do wszechświata macierzystego, lecz do nowego regionu czasoprzestrzeni stworzonego przez sam kolaps. Dla obserwatora wewnątrz tej ekspansji wygląda to dokładnie jak Wielki Wybuch. Dla obserwatora w wszechświecie macierzystym wygląda to jak standardowa, choć nieco trwała, czarna dziura.

To nie tylko poetycka metafora kosmicznych matrioszek. Rozwiązuje to fundamentalny problem w fizyce: skąd wzięła się cała materia? Jeśli jesteśmy „córką” czarnej dziury, materia w naszym wszechświecie jest po prostu poddanymi recyklingowi pozostałościami gwiazdy, która zapadła się w sąsiednim wszechświecie. To system o obiegu zamkniętym, który zadowoliłby nawet najbardziej rygorystyczne dyrektywy UE dotyczące gospodarki cyrkularnej.

Czy siedem wymiarów może rozwiązać paradoks Hawkinga?

Głównym sprzeciwem wobec życia wewnątrz czarnej dziury był zawsze „paradoks informacyjny”. Stephen Hawking słynnie argumentował, że czarne dziury ostatecznie wyparowują, a kiedy to robią, każda informacja, która do nich wpadła – czy to gwiazda, czy zabłąkana książka z biblioteki – zostaje usunięta z wszechświata. Narusza to prawa mechaniki kwantowej, które zakładają, że informacja nigdy nie może zostać w pełni zniszczona. Jeśli nasz wszechświat jest czarną dziurą, a czarne dziury niszczą informację, to nasza rzeczywistość opiera się na logicznej niemożliwości.

Europejskie instytucje badawcze, szczególnie te powiązane z Instytutem Maxa Plancka, po cichu analizują te wielowymiarowe modele. Kompromis jest znaczący. Aby ocalić prawo zachowania informacji, musimy zaakceptować rzeczywistość, która jest znacznie bardziej złożona, niż sugerują to nasze zmysły. Zmienia to porównanie do „Matrixa” z popkulturowego tropu w techniczną konieczność. Jeśli informacja o naszym wszechświecie jest w rzeczywistości przechowywana na dwuwymiarowej granicy siedmiowymiarowej przestrzeni, to nasze trójwymiarowe doświadczenie jest efektywnie projekcją holograficzną. To genialny przykład matematycznej ekwilibrystyki, nawet jeśli przeciętny podatnik zastanawia się, za co dokładnie płaci w CERN.

Anomalia LIGO i poszukiwanie pierwotnych duchów

Istnienie pierwotnych czarnych dziur zrobiłoby coś więcej niż tylko potwierdzenie teorii „odbicia”; dostarczyłoby wiarygodnego kandydata na ciemną materię. Wydaliśmy miliardy na poszukiwania cząstek WIMP (słabo oddziałujących masywnych cząstek) z zerowym rezultatem. Jeśli ciemna materia to w rzeczywistości ogromna populacja podslonecznych czarnych dziur, nie musimy wynajdować nowych cząstek. Musimy tylko ulepszyć nasze sensory. Nadchodząca misja LISA Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) – kosmiczne obserwatorium fal grawitacyjnych – została zaprojektowana właśnie w tym celu. Przenosząc detektory na orbitę, z dala od szumu sejsmicznego Ziemi, LISA będzie w stanie „usłyszeć” mniejsze, subtelniejsze pomruki tych pierwotnych obiektów.

Istnieje pewna ironia w fakcie, że im bardziej próbujemy patrzeć „na zewnątrz” w skali całego kosmosu, tym bardziej odkrywamy, że patrzymy „do wewnątrz” na fizykę tego, co najmniejsze. Strategia przemysłowa jest tu jasna: blok, który jako pierwszy definitywnie udowodni naturę ciemnej materii lub „odbiciowe” pochodzenie wszechświata, zyskuje więcej niż tylko Nagrodę Nobla. Zyskuje klucze do kolejnego stulecia fizyki fundamentalnej, która dyktuje wszystko: od ograniczeń obliczeń kwantowych po potencjalne wydobywanie energii z próżni.

Biurokracja i granice tego, co obserwowalne

Wyzwaniem, jak zawsze w europejskiej „wielkiej nauce”, jest luka między tablicą a budżetem. Udowodnienie, że żyjemy wewnątrz czarnej dziury, wymaga obserwacji, które znajdują się na samej granicy tego, co może osiągnąć obecna technologia. Wymaga to koordynacji między siecią LIGO-Virgo-KAGRA a tuzinem innych agencji, z których każda ma własne interesy narodowe i wymogi sprawozdawcze. Podczas gdy USA i Chiny agresywnie finansują samodzielne projekty, siłą Europy pozostaje jej wspólna, międzynarodowa infrastruktura – pod warunkiem, że biurokraci zdołają porozumieć się w kwestii protokołów udostępniania danych.

Sceptycy zauważą, że teoria „Wszechświata Czarnej Dziury” jest obecnie niesprawdzalna. Ponieważ nie możemy wyjść poza nasz własny horyzont zdarzeń, aby spojrzeć wstecz na „macierzysty” wszechświat, w zasadzie tworzymy teorie o pokoju, z którego nigdy nie możemy wyjść. Jednak to nie powstrzymało nas przed zmapowaniem atomu czy przewidzeniem bozonu Higgsa. Matematyka często prowadzi tam, gdzie wzrok jeszcze nie może dotrzeć. Jeśli siedmiowymiarowe modele nadal będą rozwiązywać paradoksy, które powstrzymywały Hawkinga, to „Wszechświat Czarnej Dziury” przejdzie od spekulatywnego eksperymentu myślowego do czołowego kandydata na prawdę.

To pouczająca perspektywa. Lubimy myśleć o naszym wszechświecie jako o ogromnej, niezależnej przestrzeni. Odkrycie, że jesteśmy w rzeczywistości podprocesem innego wszechświata – kosmiczną pętlą rekurencyjną – to cios dla zbiorowego ego gatunku. Ale w świecie fizyki wysokich stawek ego jest sprawą drugorzędną. Dane sugerują, że Wielki Wybuch nie był początkiem, lecz przejściem. Żyjemy w rozszerzającym się śladzie gwiazdy, która zginęła w świecie, którego nigdy nie zobaczymy.

Matematyka jest solidna. Sensory stają się coraz lepsze. Jedyną rzeczą, którą pozostaje ustalić, jest to, który organ administracyjny w Brukseli będzie mógł ogłosić to odkrycie jako sukces unijnej polityki przemysłowej.