Stephen Hawking chciał, aby naukowcy „zrobili czarne dziury” na Ziemi. Fizyka mówi, że to możliwe.
— Mam nadzieję, że stworzysz czarne dziury — powiedział Stephen z szerokim uśmiechem.
Wyszliśmy z windy towarowej, która zabrała nas pod ziemię, do pięciopiętrowej jaskini, w której znajdował się eksperyment ATLAS w laboratorium CERN, legendarnej Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych w pobliżu Genewy. Dyrektor generalny CERN, Rolf Heuer, niespokojnie szurał nogami. Był rok 2009 i ktoś złożył pozew w Stanach Zjednoczonych, obawiając się, że nowo skonstruowany w CERN Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, wytworzy czarne dziury lub inny rodzaj egzotycznej materii, która może zniszczyć Ziemię.
LHC to akcelerator cząstek w kształcie pierścienia, który został zbudowany głównie w celu tworzenia bozonów Higgsa, brakującego ogniwa — w tamtym czasie — w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych. Zbudowany w tunelu pod granicą szwajcarsko-francuską, jego całkowity obwód wynosi 27 kilometrów (prawie 17 mil) i przyspiesza protony i antyprotony poruszające się w przeciwnych kierunkach w okrągłych lampach próżniowych do 99,9999991% prędkości światła. W trzech miejscach wzdłuż pierścienia wiązki przyspieszonych cząstek mogą być kierowane w wysokoenergetyczne zderzenia, odtwarzając warunki porównywalne z tymi panującymi we wszechświecie w ułamek sekundy po gorącym Wielkim Wybuchu, kiedy temperatura wynosiła ponad milion miliardów stopni. Ślady rozprysków cząstek powstałych w tych gwałtownych zderzeniach czołowych są rejestrowane przez miliony czujników ułożonych w stos jak mini-klocki Lego, tworząc gigantyczne detektory, w tym detektor ATLAS i Compact Muon Solenoid (CMS).
Pozew miał wkrótce zostać oddalony na tej podstawie, że „spekulacyjny strach przed przyszłymi szkodami nie stanowi w rzeczywistości szkody wystarczającej do przyznania legitymacji”. W listopadzie tego roku LHC został pomyślnie włączony — po eksplozji przy wcześniejszej próbie — a detektory ATLAS i CMS wkrótce odnalazły ślady bozonów Higgsa we szczątkach zderzeń cząstek. Ale jak dotąd LHC nie stworzył czarnych dziur.
Dlaczego jednak nie było całkowicie nierozsądne, aby Stephen — i myślę, że także Heuer — miał nadzieję, że możliwe będzie wytwarzanie czarnych dziur w LHC? Zwykle myślimy o czarnych dziurach jako o zapadniętych pozostałościach masywnych gwiazd. Jest to jednak zbyt ograniczone spojrzenie, ponieważ wszystko może stać się czarną dziurą, jeśli zostanie ściśnięte do wystarczająco małej objętości. Nawet pojedyncza para proton-antyproton przyspieszona do prędkości bliskiej prędkości światła i zderzająca się razem w potężnym akceleratorze cząstek utworzyłaby czarną dziurę, gdyby zderzenie skupiło wystarczającą ilość energii w wystarczająco małej objętości. Z pewnością byłaby to malutka czarna dziura o ulotnym istnieniu, ponieważ natychmiast wyparowałaby poprzez emisję promieniowania Hawkinga.
Jednocześnie, gdyby spełniła się nadzieja Stephena i Heuera na wytworzenie czarnych dziur, oznaczałoby to koniec trwającej od dziesięcioleci misji fizyków cząstek elementarnych, by badać naturę na coraz krótszych odległościach poprzez zderzanie cząstek o coraz większej energii. Zderzacze cząstek są jak mikroskopy, ale wydaje się, że grawitacja wyznacza fundamentalne ograniczenie ich rozdzielczości, ponieważ powoduje powstawanie czarnej dziury za każdym razem, gdy zbytnio zwiększamy energię, próbując zajrzeć do coraz mniejszej objętości.
W tym momencie dodanie jeszcze większej energii spowodowałoby powstanie większej czarnej dziury zamiast dalszego zwiększania mocy powiększającej zderzacza. Co ciekawe, grawitacja i czarne dziury całkowicie odwracają powszechne w fizyce myślenie, że wyższe energie badają krótsze odległości. Punktem końcowym konstrukcji coraz większych akceleratorów nie wydaje się być najmniejszy podstawowy element konstrukcyjny — największe marzenie każdego redukcjonisty — ale wyłaniająca się makroskopowo zakrzywiona czasoprzestrzeń. Zapętlając krótkie odległości z powrotem na duże odległości, grawitacja kpi z głęboko zakorzenionej idei, że architektura rzeczywistości fizycznej jest zgrabnym systemem zagnieżdżonych łusek, które możemy odrywać jedna po drugiej, aby dotrzeć do podstawowego najmniejszego składnika. Grawitacja — a zatem i sama czasoprzestrzeń — wydaje się posiadać element antyredukcjonistyczny.
Więc w jakiej skali mikroskopowej fizyka cząstek elementarnych bez grawitacji przekształca się w fizykę cząstek elementarnych z grawitacją? (Albo mówiąc inaczej, ile kosztowałoby spełnienie marzenia Stephena o wyprodukowaniu czarnych dziur?) Jest to pytanie, które ma związek z zjednoczeniem wszystkich sił, tematem tego rozdziału. Poszukiwanie ujednoliconych ram, które obejmowałyby wszystkie podstawowe prawa natury, było już marzeniem Einsteina. Odnosi się to bezpośrednio do tego, czy kosmologia multiwersów naprawdę ma potencjał, aby zaoferować alternatywne spojrzenie na zachęcający do życia projekt naszego wszechświata. Tylko bowiem zrozumienie, w jaki sposób wszystkie cząstki i siły pasują do siebie harmonijnie, może dostarczyć dalszych informacji na temat wyjątkowości — lub jej braku — podstawowych praw fizycznych, a zatem na jakim poziomie można oczekiwać, że będą się one zmieniać w całym multiwersie.
Wyciąg z O POCZĄTKU CZASU. Copyright © 2023 by Thomas Hertog.
Opublikowane przez Bantam, wydawnictwo Penguin Random House.
