Wszystko zaczęło się w latach 70. XX wieku, kiedy Stephen Hawking sformułował swoją słynną teorię dotyczącą promieniowania czarnych dziur. Zgodnie z jego obliczeniami, czarne dziury nie są wieczne – emitują słabe promieniowanie, tracą masę i ostatecznie całkowicie parują. Tu jednak pojawia się tzw. paradoks informacyjny. Według zasad mechaniki kwantowej, informacja o stanie układu fizycznego nigdy nie może zostać zniszczona (zasada unitarności). Jeśli jednak czarna dziura znika, informacja o materii, która do niej wpadła, zdaje się przepadać na zawsze. To fundamentalne pęknięcie w gmachu współczesnej fizyki pozostawało niewyjaśnione przez niemal pół wieku.
Siedem wymiarów i siła odpychająca
Innowacyjne podejście zespołu Pinčáka opiera się na rozszerzeniu naszej wizji wszechświata o dodatkowe wymiary. Badacze wykorzystali teorię Einsteina-Cartana, sformułowaną w siedmiowymiarowej geometrii na specyficznej strukturze matematycznej zwanej rozmaitością G2 z torsją. W przeciwieństwie do standardowej teorii względności, model ten zakłada, że czasoprzestrzeń może nie tylko ulegać zakrzywieniu, ale również specyficznemu „skręceniu”, czyli torsji.
Czytaj także: Czarna dziura nie niszczy informacji. Paradoks Hawkinga rozwiązany
Kluczowym odkryciem badaczy jest fakt, że przy ekstremalnych gęstościach – typowych dla skali Plancka – owa geometryczna torsja generuje potężną siłę odpychającą. Siła ta staje się wystarczająco silna, by powstrzymać ostateczne zapadanie grawitacyjne i, co najważniejsze, zatrzymać końcowy etap parowania Hawkinga. Dzięki temu czarna dziura nie znika całkowicie, lecz pozostawia po sobie stabilną „pozostałość” (ang. remnant) o masie około 9 x 10^-41 kg.
Kosmiczny twardy dysk w skali Plancka
Jeśli czarna dziura nie znika, informacja pozostaje bezpieczna. Naukowcy postulują, że stabilna pozostałość pełni rolę niezwykle wydajnego archiwum pamięci. Mechanizm zapisu informacji opiera się na spektrum tzw. modów kwazinormalnych – specyficznych wibracjach pola torsji wewnątrz geometrii pozostałości. Obliczenia zespołu wskazują na oszałamiającą gęstość zapisu danych: pozostałość po czarnej dziurze o masie Słońca byłaby w stanie pomieścić aż 1,515 x 10^77 qubitów informacji. To dokładnie tyle, ile potrzeba, aby w pełni zachować stan kwantowy materii, która pierwotnie utworzyła czarną dziurę, tym samym rozwiązując paradoks informacyjny bez konieczności modyfikowania praw mechaniki kwantowej.
To, co wyróżnia tę teorię na tle innych, to jej głębokie powiązanie z fizyką cząstek elementarnych. Badacze wykazali, że proces redukcji wymiarowej – czyli przejście z siedmiu wymiarów do znanych nam czterech – w naturalny sposób generuje tzw. skalę elektrosłabą (~246 GeV). Jest to wartość kluczowa dla mechanizmu Higgsa, który nadaje masę cząstkom elementarnym w Modelu Standardowym.
Czytaj także: Czy ciemna materia składa się z pierwotnych czarnych dziur? Już niebawem będzie można to zbadać
W tym teoretycznym ujęciu, próżniowa wartość oczekiwana (VEV) pola torsji jest dynamicznie tożsama ze skalą elektrosłabą. Oznacza to, że ta sama właściwość geometryczna, która chroni informację w czarnych dziurach, odpowiada również za hierarchię mas we wszechświecie. Fizyka grawitacji i fizyka mikroświata łączą się tutaj w jedną, spójną całość opartą na geometrii czasoprzestrzeni.
Poza zasięgiem akceleratorów, ale w zasięgu teleskopów
Dlaczego dotychczas nie zaobserwowaliśmy tych dodatkowych wymiarów? Odpowiedź tkwi w ogromnej energii. Cząstki związane z tymi wymiarami (tzw. wzbudzenia Kaluzy-Kleina) mają masy rzędu 8,6 x 10^15 GeV. Jest to wartość o jedenaście rzędów wielkości przekraczająca możliwości Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Niemniej jednak, teoria ta pozostaje weryfikowalna empirycznie.
Po pierwsze, przewidywane przez model stabilne pozostałości po czarnych dziurach mogą stanowić istotny składnik ciemnej materii. Wykrycie sygnatury grawitacyjnej tych „reliktów planckowskich” byłoby bezpośrednim dowodem na słuszność teorii. Po drugie, ślady siedmiowymiarowej geometrii mogą być ukryte w strukturze kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB) lub w pierwotnych falach grawitacyjnych powstałych tuż po Wielkim Wybuchu. Praca Pinčáka i jego zespołu sugeruje, że nie musimy rewolucjonizować mechaniki kwantowej – wystarczy, że głębiej zrozumiemy architekturę rzeczywistości, w której żyjemy.
