Principle of no paradoxical Universe

Decennialang was het heersende verhaal over ons kosmos er een van eindeloze expansie. Astronomen observeerden dat het universum niet alleen groeit, maar ook versnelt, aangedreven door een mysterieuze kracht genaamd donkere energie. In dit standaardbeeld zal het universum voor altijd uitrekken, steeds kouder en leger wordend, totdat de tijd zelf zijn betekenis verliest. Deze oneindige tijdlijn creëert een diepgaand probleem voor natuurkundigen. Men vermoedt al lang dat zwarte gaten, de dichtste objecten in het bestaan, uiteindelijk verdwijnen door energie te lekken, een proces dat bekend staat als verdamping. Als een zwart gat lang genoeg leeft, verdwijnt het volledig en neemt het daarmee de informatie mee van alles wat ooit naar binnen is gevallen. Dit scenario creëert een logische tegenstrijdigheid tussen de twee pijlers van de moderne natuurkunde: de regels die de zeer kleine deeltjes beheersen en de regels die de zwaartekracht beheersen. Als het universum eeuwig voortduurt, is deze tegenstrijdigheid onvermijdelijk; het is slechts een kwestie van tijd voordat elk zwart gat dit punt van verdwijning bereikt.

Echter, een verschuiving in perspectief is naar voren gekomen door recente waarnemingen. Nieuwe gegevens suggereren dat donkere energie mogelijk geen constante kracht is, maar iets dat in de loop van de tijd verandert, potentieel verzwakkend of zelfs omkerend. Als dit waar is, zal het universum misschien niet eeuwig blijven expanderen. In plaats daarvan zou het uiteindelijk kunnen stoppen met groeien, kunnen krimpen en terugvallen in een enkel punt in een "Big Crunch". Deze mogelijkheid verandert alles aan het zwarte gat-puzzelstuk. Als het universum een eindige levensduur heeft, kan het eindigen voordat de kleinste zwarte gaten de tijd hebben om te verdampen en die logische tegenstrijdigheid te triggeren. Een onderzoeker aan het National Center for Theoretical Sciences in Taiwan heeft dit idee verkend en voorgesteld dat het universum gestructureerd zou kunnen zijn op een manier die simpelweg voorkomt dat deze paradox ooit in de werkelijkheid plaatsvindt.

De onderzoeker begon met het kijken naar de timing van de verdamping van zwarte gaten. Ze berekenden dat een zwart gat om genoeg massa te verliezen om de informatieparadox te creëren, een specifieke fase in zijn leven moet bereiken, een moment dat ze de "Page-tijd" noemen. Dit is het punt waarop het zwarte gat de helft van zijn initiële informatie-dragende capaciteit heeft verloren. In een universum dat eeuwig voortduurt, zullen zelfs de meest massieve zwarte gaten uiteindelijk dit stadium bereiken. Maar in een universum dat inklapt, stopt de klok voordat dat moment voor veel zwarte gaten arriveert. De onderzoeker stelde een leidend principe voor: het universum is zo geconfigureerd dat de kleinste zwarte gaten die erin bestaan nooit lang genoeg leven om hun Page-tijd te bereiken. Als het universum eindigt voordat zij kunnen verdampen, treedt de paradox nooit op.

Om dit idee te testen, berekende de auteur een minimale grootte voor zwarte gaten op basis van hoe lang het universum naar verwachting zal leven. Gebruikmakend van een specifiek model waarbij het universum in ongeveer 35 miljard jaar inklapt, vonden zij dat elk zwart gat kleiner dan ongeveer 7,5 keer 10 tot de 14de macht gram te snel zou zijn verdampt, wat de paradox zou creëren. Daarom, om hun principe waar te laten zijn, kan geen enkel zwart gat kleiner dan deze massa bestaan. Dit is een significante beperking omdat het het bestaan van minuscule, primordiale zwarte gaten uitsluit die wellicht ontstonden in de vroegste momenten van het universum. Deze kleine objecten, indien zij bestonden, zouden lang geleden verdampt zijn en een spoor van hoogenergetische deeltjes en zwaartekrachtgolven achtergelaten hebben die we zouden moeten kunnen detecteren.

Het artikel biedt verschillende concrete manieren om te controleren of dit idee juist is. Ten eerste voorspelt het dat we nooit deeltjes met extreem hoge energie zullen detecteren die afkomstig zijn van verdampende zwarte gaten. Als een zwart gat volledig zou verdampen, zou het een uitbarsting van energie vrijgeven, inclusief deeltjes met energieën die veel hoger zijn dan wat we zien. De afwezigheid van dergelijke signalen ondersteunt het idee dat deze zwarte gaten nooit hun verdamping voltooien. Ten tweede keek de onderzoeker naar zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de ruimtetijd. Zij voerden aan dat als minuscule zwarte gaten bestonden en verdampden, zij een duidelijke signatuur in deze golven zouden achterlaten. Specifiek voorspelden zij dat we een bepaald type zwaartekrachtgolfsignaal, geassocieerd met de vorming van zeer kleine zwarte gaten, niet zouden moeten zien. Als toekomstige detectoren, zoals de voorgestelde Einstein Telescope of DECIGO, de hemel scannen en niets vinden in het frequentiebereik dat verwacht wordt voor deze kleine, verdampende objecten, zou dit sterk ondersteunen dat dergelijke zwarte gaten niet bestaan.

De auteur overwoog ook de mogelijkheid dat het universum zou kunnen "bouncen", door eindeloze cycli van expansie en contractie. Zij merkten op dat zelfs in een dergelijk scenario, de logica van hun principe nog steeds stand zou kunnen houden als de zwarte gaten samensmelten en groot genoeg worden tijdens de contractiefase om te overleven in de volgende expansie. Hun primaire focus blijft echter op het eenvoudigere scenario waarin het universum eindigt in een finale ineenstorting. Zij benadrukken dat hun werk een suggestie is gebaseerd op huidige gegevens, en geen bewezen feit. Het bestaan van een eindig universum is nog steeds een hypothese, hoewel een die recente waarnemingen steeds plausibeler maken. Als het universum inderdaad een deadline heeft, dan kunnen de wetten van de natuurkunde beschermd worden tegen een tegenstrijdigheid die anders in een oneindige tijdlijn zou ontstaan.

Dit onderzoek nodigt ons uit om opnieuw na te denken over de relatie tussen het leven van het kosmos en het leven van zijn meest extreme objecten. Het suggereert dat het universum "getuned" zou kunnen zijn om een fundamentele inconsistentie in ons begrip van de werkelijkheid te vermijden. Als het universum eindigt voordat de kleinste zwarte gaten kunnen verdwijnen, dan is de informatieparadox geen probleem dat opgelost moet worden, maar een scenario dat nooit gebeurt. Het artikel concludeert door te benadrukken dat dit een toetsbaar idee is. Door te zoeken naar de afwezigheid van specifieke signalen — hoogenergetische deeltjes of bepaalde zwaartekrachtgolven — kunnen we bepalen of het universum inderdaad is geconfigureerd om deze paradoxen op afstand te houden. Als toekomstige waarnemingen bevestigen dat er geen zwarte gaten kleiner dan de berekende limiet bestaan, zou dit een diepgaande ontdekking zijn, die suggereert dat het lot van het universum en de regels van de kwantummechanica diep met elkaar verweven zijn op een manier die de consistentie van de natuurkundige wetten bewaart.