De Italiaanse fysicus Carlo Rovelli zoekt het uit in zijn boek Witte gaten: binnen de horizon, dat zopas in het Nederlands vertaald is.
Albert Einsteins theorie over de zwaartekracht, bekend als de algemene relativiteitstheorie, is sinds haar publicatie in 1915 een ware hoorn des overvloeds van speculatieve ideeën gebleken. De theorie voorspelde onder meer dat de zwaartekracht licht zou doen afbuigen van zijn baan (korte tijd later waargenomen, check!), dat klokken op de begane grond iets trager zouden lopen dan bovenop een toren (gemeten, check!), dat er zwarte gaten zouden kunnen bestaan, stukjes ruimte waaruit niets kan ontsnappen (waargenomen, check!) en dat de lege ruimte zelf kan golven en trillen (waargenomen, check!).
Nog niet bevestigd is het idee dat er ook een soort omgekeerd zwart gat zou kunnen bestaan, een ‘wit gat’. Ook dat wordt toegestaan door de wiskundige vergelijkingen van Einsteins theorie. Het zette sommige sciencefictionauteurs al aan het dromen, bijvoorbeeld over onvervaarde ruimteverkenners die in een zwart gat vallen en elders uit een wit gat weer tevoorschijn komen. Maar dat iets volgens de algemene relativiteitstheorie kán bestaan, garandeert nog niet dat het dat ook echt doet, en het was nooit helemaal duidelijk hoe een wit gat in de praktijk gevormd zou kunnen worden.
‘Ik hoop dat we onrechtstreekse aanwijzingen kunnen vinden dat witte gaten een component zijn van de raadselachtige donkere materie’
Carlo Rovelli, een expert op het gebied van het verenigen van de algemene relativiteitstheorie met de quantummechanica – een van de grote onvoltooide werven van de natuurkunde – heeft zijn eigen ideeën over witte gaten, en die zet hij nu ook voor een breed publiek uiteen in zijn recentste boek.
Rovelli denkt, op basis van zijn berekeningen in de quantumgravitatie (die overigens meer een theorie-in-wording is dan een afgewerkt product), dat elk zwart gat als gevolg van quantumeffecten na een lange tijd verandert in een wit gat. Voor het zover is, heeft het zwarte gat al veel van zijn energie verloren door zogeheten hawkingstraling, de straling, ook van quantummechanische oorsprong, waarvan het bestaan voorspeld is door Stephen Hawking. Wat er na langdurige hawkingstraling nog overschiet van alle materie en energie die ooit in het zwarte gat zijn gevallen, wordt geleidelijk uitgestoten zodra het gat uiteindelijk in een wit gat is veranderd. Waarbij ‘uiteindelijk’ kan betekenen ‘na enkele miljarden jaren’, maar ook, bij grote zwarte gaten, na een aantal jaren waarvoor je een ongezond aantal nullen nodig hebt om het te kunnen opschrijven; heel ver in de toekomst dus, wanneer het heelal zelf bejaard is geworden.
We hebben allemaal wel eens gehoord over zwarte gaten. Die zijn donker, en als je erin valt, kun je er nooit meer uit. Maar wat zijn witte gaten? Precies het tegenovergestelde?
‘Als je een video maakt van een bal die valt, en je speelt de video vervolgens achterstevoren af, dan zie je een bal die omhoog beweegt. Als je een video van een zwart gat achterstevoren afspeelt, dan zie je een wit gat. Dingen kunnen in een zwart gat naar binnen. Uit een wit gat kunnen ze naar buiten komen.’
Zwarte gaten zijn al geobserveerd – astronomen publiceerden in 2019 de eerste echte foto van een zwart gat in het midden van een sterrenstelsel. Zijn witte gaten nog steeds puur hypothetisch?
‘Vele decennia lang waren zwarte gaten dingen die beschreven werden door de theorie van Einstein, maar die nog nooit geobserveerd waren. Nu zijn ze dat wel. Witte gaten zijn ook objecten die beschreven worden door Einsteins theorie, maar voor het ogenblik zijn ze nog niet geobserveerd.’
In uw boek beschrijft u hoe een zwart gat na verloop van tijd in een wit gat zou kunnen veranderen. Hoe is zoiets mogelijk?
‘Het is mogelijk, op een manier die lijkt op hoe een vallende bal kan veranderen in een bal die omhoog beweegt: namelijk door terug te stuiteren. De ‘bots’ die een zwart gat zou transformeren in een wit gat is een quantumverschijnsel, dat mogelijk zou kunnen optreden aan het einde van het leven van een zwart gat, op een moment dat zijn inwendige nog erg groot is, maar zijn toegang, de ‘horizon’, extreem klein is geworden.’
Natuurkundigen en sciencefictionschrijvers hebben het al lang over witte gaten. Op welke manier zijn de witte gaten die u in uw boek beschrijft verschillend van die eerdere versies?
‘Het verschil is dat ik een echte berekening heb, die laat zien dat een momenteel mogelijke theorie van de quantumzwaartekracht daadwerkelijk het fenomeen voorspelt dat een zwart gat transformeert tot een wit gat.’
De bekende natuurkundige en zwartegatenspecialist Kip Thorne (Nobelprijs 2017) was een adviseur voor Christopher Nolans sciencefictionfilm over zwarte gaten, Interstellar uit 2014. Als u een adviseur zou zijn voor een film over witte gaten, wat zou u de scenarioschrijvers dan aanbevelen? Zou een astronaut in een zwart gat kunnen vallen en uit een wit gat tevoorschijn komen? Wat zou er dan gebeuren?
‘In principe zou dat kunnen, ja. Een astronaut zou in een zwart gat kunnen vallen, tot op de ‘bodem’ ervan. Dan zou ze de quantumsprong kunnen oversteken en merken dat ze zich in een wit gat bevindt, waar ze uiteindelijk weer uit tevoorschijn zou komen. Het mooiste van het verhaal is dat dit voor haar slechts een korte tijd zou duren, hoewel ze pas in de heel verre toekomst uit het witte gat zou komen. De passage doorheen het zwarte en witte gat is als een shortcut, een kortere weg naar de verre toekomst.’
‘In de praktijk echter zou elke echte astronaut vermorzeld worden door de enorme krachten in de nabijheid van het centrum van het zwarte gat. Maar iets wat voldoende resistent is, zou het in theorie misschien kunnen klaarspelen en in de extreem verre toekomst tevoorschijn komen.’
Als alles zich voor deze theoretische ultraresistente ‘waarnemer’ allemaal in een hele korte tijd afspeelt, terwijl er voor de rest van het heelal een onvoorstelbaar lange tijd verstrijkt, is dat dan een extreem voorbeeld van de relativiteit van de tijd?
‘Ja, precies. Het is een voorbeeld van de kenmerkende vervormingen van de tijd die voorspeld worden door de theorie van Einstein. Deze vervormingen zijn reëel, en we kunnen ze meten met de instrumenten waarover we vandaag al beschikken. Maar de vervormingen die we op aarde kunnen meten, zijn piepklein. Binnen in een zwart gat zijn ze echter reusachtig. Je zou zelfs kunnen zeggen dat een zwart gat in wezen niets anders is dan een gebied waar de tijd kolossaal sterk vervormd is.’
En toch, zo beschrijft u in het boek, is die reuzensprong naar de toekomst geen manier om te ontsnappen aan de tijd en de onafwendbare toename van de entropie, maar gewoon weer een andere wijze waarop het heelal evolueert naar evenwicht, weer een manifestatie van hoe de ‘pijl van de tijd’ werkt.
‘Inderdaad. De vervorming van de tijd verandert niets aan het feit dat er een gemeenschappelijke evolutie is richting toekomst, gekenmerkt door een verandering van de entropie.’
Uw theorie over witte gaten is gebaseerd op een combinatie van de algemene relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie. Maar die combinatie, of ‘quantumgravitatie’, is nog geen afgewerkte theorie, en nog lang niet bewezen door meetresultaten. Hoe zeker kunt u dan zijn van uw opvatting?
‘Niet al te zeker. Het is een mogelijkheid, en ik weet niet of ze correct is. Tot we empirische bevestiging hebben, dat wil zeggen tot we iets observeren dat de theorie bevestigt, doen we eigenlijk niets meer dan mogelijkheden exploreren. Dat is hoe de wetenschap werkt.’
U bent een van de pioniers van loop quantum gravity, dat is een van de voorgestelde manieren om het quantumgravitatievraagstuk aan te pakken. Is uw wittegatenscenario gebaseerd op loop quantum gravity, of erdoor geïnspireerd?
‘Het is inderdaad gebaseerd op loop quantum gravity. Het is in de context van loop quantum gravity dat de berekeningen gedaan worden. Op dit moment zou je het dus kunnen beschouwen als een voorspelling van loop quantum gravity. Maar het zou me niet verbazen als verschillende kandidaat-theorieën van quantumzwaartekracht uiteindelijk hetzelfde fenomeen zouden voorspellen. Als dat het geval zou zijn, dan zou een observatie van de effecten van witte gaten een triomf zijn voor de theoretische fysica, maar het zou ons nog steeds niet vertellen welke quantumgravitatietheorie de beste is.’
Het heeft een hele tijd geduurd voor het idee van zwarte gaten theoretisch geaccepteerd werd, en voor ze ten slotte geobserveerd werden. Hoe zijn wat dat betreft de vooruitzichten voor witte gaten? Hoe zouden ze eruit zien, en hoe zouden we ze kunnen observeren of bewijzen dat ze bestaan?
‘Er zijn verscheidene mogelijke ‘vensters’, of soorten observaties, maar geen ervan is bepaald gemakkelijk. Wat ik hoop is dat we onrechtstreekse aanwijzingen zouden kunnen vinden dat witte gaten, gevormd als eindstadium van zwarte gaten, een component zijn van de raadselachtige donkere materie. Als dat het geval is, dan hebben we eigenlijk al witte gaten geobserveerd, zonder ze te herkennen. Uiteindelijk is dat ook wat met zwarte gaten gebeurd is: het signaal van het grote zwarte gat in het centrum van onze Melkweg was al waargenomen sinds de jaren 1930, maar niemand begreep wat het was.’
U beschrijft hoe in de discussie over de fameuze ‘informatieparadox’ rond zwarte gaten, uw positie verschilt van die van de meeste onderzoekers. Geldt dat ook voor uw werk rond witte gaten?
‘Ik zou niet zeggen dat mijn opvattingen verschillen van die van de meeste onderzoekers. Het gaat er eerder over dat er verschillende ‘scholen’ zijn. Dat is normaal in een onderzoeksdomein aan de rand van onze kennis. De wetenschap gaat vooruit door te debatteren over verschillende opvattingen. In het bijzonder wat betreft de ‘paradox’ rond informatie in zwarte gaten denk ik dat het meer gaat om een idee-fixe dat is voortgekomen uit de specifieke hypotheses van één bepaalde school, dan over de opinie van een meerderheid van de wetenschappers.’
In uw boek verwijst u veel naar kunstenaars. In het bijzonder Dante is zelden verder dan een paragraaf weg – zijn afdaling in de hel om weer tevoorschijn te komen in het paradijs, als een analogie voor wat zou gebeuren met iemand die in een zwart gat valt en weer tevoorschijn komt uit een wit gat. Maar er is ook een diepere connectie: u schrijft dat zowel kunst als wetenschap ‘onze conceptuele ruimte reorganiseren, wat we betekenis noemen’. Hebben kunst en wetenschap diepergaande verbindingen dan meestal verondersteld wordt?
‘Ja, dat denk ik. Ondanks het grote verschil tussen de gebruikte methodes zijn ze beide pogingen om de wereld met nieuwe ogen te leren zien.’
