W poszukiwaniu kodu źródłowego wszechświata

Pasterski jest teoretyczką wysokich energii w Perimeter Institute for Theoretical Physics i jedną z niewielu osób na świecie zdolnych do poruszania się po matematycznym polu minowym, jakim jest grawitacja kwantowa. Jej celem jest to, co nazywa „kodem źródłowym wszechświata”. To ostateczne poszukiwanie głównego pliku: jednego, spójnego zestawu reguł, który wyjaśnia, dlaczego gwiazdy trzymają się swoich galaktyk, podczas gdy cząstki subatomowe zachowują się jak napędzone kofeiną duchy. Obecnie nasze najlepsze opisy rzeczywistości są zapisane w dwóch różnych, niekompatybilnych językach, a fizycy zaczynają podejrzewać, że jedynym sposobem na ich pogodzenie jest przyznanie, iż trójwymiarowy świat, w którym żyjemy, jest w rzeczywistości wyrafinowaną projekcją.

Nie jest to teoria spiskowa o życiu w komputerowej symulacji, choć terminologia często się pokrywa. To raczej rygorystyczna matematyczna próba rozwiązania paradoksu, który od stulecia wprawia w zakłopotanie najtęższe umysły świata nauki. Ogólna teoria względności, arcydzieło Einsteina, wyjaśnia grawitację i wielkie obiekty – planety, czarne dziury oraz ekspansję kosmosu. Mechanika kwantowa wyjaśnia to, co najmniejsze – elektrony, fotony i dziwność świata subatomowego. Problem polega na tym, że gdy próbuje się użyć obu naraz, matematyka się załamuje. To jak próba uruchomienia gry z PlayStation 5 na kalkulatorze z lat 80. System operacyjny wszechświata zawiesza się na krawędziach, a teoretycy szukają poprawki.

Błąd w maszynie grawitacyjnej

Fizyka jest obecnie pełna sprzeczności, które sugerują, że nasze rozumienie przestrzeni i czasu jest jedynie przybliżeniem czegoś głębszego. Jednym z najsłynniejszych „błędów” w systemie jest paradoks informacyjny czarnej dziury. Według ogólnej teorii względności wszystko, co wpadnie do czarnej dziury, przepada na zawsze, zmiażdżone do postaci osobliwości. Jednak według mechaniki kwantowej informacji nie da się nigdy całkowicie zniszczyć. Jeśli wrzucisz książkę do czarnej dziury, informacja zawarta w układzie jej atomów powinna, teoretycznie, zostać zachowana. Kiedy czarna dziura ostatecznie wyparowuje poprzez promieniowanie Hawkinga, informacja ta wydaje się znikać. To katastrofalny błąd w logice wszechświata.

Pasterski i jej współpracownicy pracują nad ramami teoretycznymi zwanymi holografią niebiańską, aby to naprawić. Pomysł opiera się na „zasadzie holograficznej”, która sugeruje, że wszystkie informacje zawarte w danej objętości przestrzeni można opisać za pomocą danych na granicy tej przestrzeni. Wyobraź sobie puszkę zupy. Wszystkie informacje o zupie – jej temperatura, liczba kawałków marchewki, zawartość soli – mogłyby teoretycznie zostać zapisane na dwuwymiarowej etykiecie owiniętej wokół niej. W tym ujęciu nasza trójwymiarowa rzeczywistość to tylko „wnętrze”, podczas gdy prawdziwy „kod” zapisany jest na dwuwymiarowej powierzchni na samym skraju wszechświata.

Dlaczego Holometr nie znalazł pikseli przestrzeni

Jeśli wszechświat jest projekcją, to sama przestrzeń powinna mieć określoną rozdzielczość. Tak jak zdjęcie cyfrowe staje się siatką pikseli, jeśli wystarczająco je powiększysz, wielu teoretyków uważa, że czasoprzestrzeń nie jest gładka, lecz „ziarnista”. W skali Plancka – najmniejszej możliwej odległości, wynoszącej około 10 do potęgi minus 35 metra – struktura rzeczywistości powinna stać się ziarnista. W 2015 roku naukowcy z Fermilab próbowali wykryć tę ziarnistość za pomocą urządzenia zwanego Holometrem. Była to para potężnych interferometrów laserowych zaprojektowanych do wykrywania „szumu holograficznego”, czyli lekkiego drżenia wszechświata, które dowodziłoby, że żyjemy w projekcji o niskiej rozdzielczości.

Eksperyment zakończył się niepowodzeniem. Lasery pozostały stabilne i przy badanych poziomach czułości nie wykryto żadnego szumu holograficznego. Dla wielu był to cios w ideę, że żyjemy w dosłownym hologramie. Ale dla teoretyków takich jak Pasterski wynik ten nie był ślepym zaułkiem – był udoskonaleniem. Sugerował, że „kod źródłowy” nie jest tak prosty jak spikselowany ekran. Połączenie między dwuwymiarową granicą a trójwymiarowym wnętrzem jest bardziej subtelne. Brak dowodów na drżący wszechświat nie obalił zasady holograficznej; udowodnił jedynie, że wszechświat nie „zacina się” w taki konkretny sposób, jakiego spodziewali się Craig Hogan i jego zespół z Fermilab.

Na tym polega iteracyjna natura tych poszukiwań. Budujesz maszynę, aby znaleźć konkretny błąd, nie znajdujesz go, więc wracasz do tablicy, aby zrozumieć, dlaczego kod jest lepiej ukryty, niż sądziłeś. Napięcie pozostaje, ponieważ matematyka wciąż domaga się unifikacji. Wiemy na przykład, że istnieje ciemna materia, bo widzimy jej grawitację przyciągającą galaktyki, ale nigdy nie widzieliśmy „kodu” samej cząstki. Patrzymy na efekty działania programu komputerowego, nie będąc w stanie zobaczyć linii tekstu, które sprawiają, że on działa.

Obnażanie wszechświata do fundamentów

Kiedy Pasterski opisuje swoją pracę, często nazywa ją „zagadką egzystencjalną”. Jest pewna ironia w fakcie, że aby zrozumieć ogrom kosmosu, trzeba spędzić życie, wpatrując się w kartkę papieru pokrytą greckimi symbolami i całkami liniowymi. Jest to jednak jedyny sposób na zbadanie środowisk, do których nigdy nie dotrze żaden człowiek ani sonda. Nie możemy udać się na krawędź wszechświata i nie przetrwalibyśmy podróży do wnętrza czarnej dziury, ale możemy budować modele matematyczne, które przedstawiają te ekstrema z przerażającą dokładnością.

Takie podejście wymaga skupienia graniczącego z medytacją. Pasterski mówi o wchodzeniu w stan umysłu, w którym równania uproszczonego, czterowymiarowego wszechświata – trzy wymiary przestrzeni, jeden czasu – płyną przez godziny, aż sam czas wydaje się znikać. To proces usuwania „interfejsu użytkownika” rzeczywistości – drzew, ludzi, światła – aby odnaleźć surowe zmienne ukryte pod spodem. Jeśli uda nam się znaleźć kod źródłowy, nie tylko zrozumiemy, jak powstał wszechświat; być może zrozumiemy, z czego tak naprawdę jest zbudowany na najbardziej podstawowym poziomie.

Istnieje również pytanie o to, co stanie się, jeśli rzeczywiście nam się uda. W historii za każdym razem, gdy odkrywaliśmy nową warstwę kodu, budowaliśmy nowy świat. Zrozumienie praw termodynamiki dało nam silnik parowy. Zrozumienie elektronu dało nam komputer. Jeśli zrozumiemy kod grawitacji i mechaniki kwantowej, zastosowania inżynieryjne mogą wykraczać poza wszystko, co znamy z science fiction. Nie mówimy tu tylko o lepszych rakietach; mówimy o zdolności manipulowania samą strukturą czasoprzestrzeni.

Brzemię dziedzictwa

Poszukiwanie „Teorii Wszystkiego” ma w zwyczaju pochłaniać życie najwybitniejszych ludzi świata. Einstein spędził ostatnie trzy dekady życia, próbując znaleźć zunifikowaną teorię pola, i poniósł porażkę. Stephen Hawking, którego Pasterski kiedyś słynnie spotkała i dołączyła do niego w tańcu typu conga podczas wydarzenia na Harvardzie, spędził swoją karierę, goniąc za tym samym duchem. Dziedzictwo to niesie ze sobą ciężar, który potrafi przytłaczać, ale Pasterski zdaje się patrzeć na to z tą samą pragmatyczną ciekawością, którą stosowała przy swoim samolocie Cessna. To po prostu kolejny trudny problem, który trzeba rozwiązać.

Społeczność ta jest niezwykle nastawiona na współpracę, nawet jeśli jest nieliczna. Ponieważ matematyka jest tak gęsta, postęp dokonuje się małymi krokami. Jeden badacz znajduje sposób na opisanie konkretnego rodzaju oddziaływania cząstek na dwuwymiarowej płaszczyźnie; inny wymyśla, jak odwzorować to na trójwymiarowe pole grawitacyjne. Powoli obraz zaczyna stawać się wyraźny. Są jak programiści pracujący nad ogromnym projektem open-source, który działa od miliardów lat, próbując metodą inżynierii wstecznej odgadnąć intencje oryginalnego twórcy.