Artykuł ten został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do powstania artykułu na stronie Space.com Głosy ekspertów: op-ed i spostrzeżenia.
Przez ponad sto lat fizyka opierała się na dwóch wielkich teoriach. Ogólna teoria względności Einsteina wyjaśnia grawitację jako zakrzywienie przestrzeni i czasu.
Mechanika kwantowa rządzi światem cząstek i pól. Oba działają znakomicie w swoich własnych domenach. Ale gdy je połączymy, pojawią się sprzeczności – szczególnie jeśli chodzi o czarne dziury, ciemny matR, ciemna energia i pochodzenie kosmosu.
Ja i moi koledzy badaliśmy m.in nowy sposób na pokonanie tego podziału. Chodzi o to, aby traktować informację – nie materię, nie energię, a nawet samą czasoprzestrzeń – jako najbardziej podstawowy składnik rzeczywistości. Nazywamy to ramą matryca pamięci kwantowej (QMM).
U jego podstaw leży proste, ale potężne twierdzenie: czasoprzestrzeń nie jest gładka, ale dyskretna – zbudowana z maleńkich „komórek”, jak sugeruje mechanika kwantowa. Każda komórka może przechowywać kwantowy ślad każdej interakcji, takiej jak przejście cząstki lub nawet wpływ siły, takiej jak elektromagnetyzm lub oddziaływania jądrowe, które przez nie przechodzą. Każde zdarzenie pozostawia po sobie niewielką zmianę w lokalnym stanie kwantowym komórki czasoprzestrzeni.
Innymi słowy, wszechświat nie tylko ewoluuje. To pamięta.
Historia zaczyna się od paradoksu informacyjnego czarnej dziury. Według teorii względności wszystko, co wpadnie do czarnej dziury, ginie na zawsze. Według teorii kwantowej jest to niemożliwe. Informacja nie da się nigdy zniszczyć.
QMM oferuje wyjście. Gdy materia opada, otaczające ją komórki czasoprzestrzeni rejestrują jej ślad. Kiedy czarna dziura w końcu wyparuje, informacje nie zostaną utracone. Zostało to już zapisane w pamięci czasoprzestrzeni.
Mechanizm ten jest uchwycony matematycznie przez tak zwany operator odcisku, czyli odwracalną regułę, która sprawia, że zachowanie informacji działa. Najpierw, zastosowaliśmy to do grawitacji. Ale potem zapytaliśmy: co z innymi siłami natury? Okazuje się, że pasują do tego samego obrazu.
W naszych modelach, zakładając istnienie komórek czasoprzestrzennych, silne i słabe siły jądrowe utrzymujące razem jądra atomowe, również pozostawiają ślady w czasoprzestrzeni. Później my rozszerzył ramy na elektromagnetyzm (chociaż artykuł ten jest obecnie recenzowany). Nawet proste pole elektryczne zmienia stan pamięci komórek czasoprzestrzeni.
Wyjaśnienie ciemnej materii i ciemnej energii
To doprowadziło nas do szerszej zasady, którą nazywamy dualizm geometria-informacja. Z tego punktu widzenia na kształt czasoprzestrzeni wpływa nie tylko masa i energia, jak uczył nas Einstein, ale także sposób dystrybucji informacji kwantowej, zwłaszcza poprzez splątanie. Splątanie to cecha kwantowa, w ramach której na przykład dwie cząstki mogą zostać w upiorny sposób połączone, co oznacza, że jeśli zmienisz stan jednej, automatycznie i natychmiast zmienisz także drugą – nawet jeśli są one oddalone o lata świetlne.
Ta zmiana perspektywy ma dramatyczne konsekwencje. W jednym z badań, obecnie poddawanym weryfikacji, odkryliśmy, że są to skupiska odcisków zachowują się jak ciemna materianieznana substancja, która stanowi większość materii we wszechświecie. Gromadzą się pod wpływem grawitacji i wyjaśniają ruch galaktyk – które wydają się krążć po orbitach z nieoczekiwanie dużymi prędkościami – bez konieczności stosowania nowych, egzotycznych cząstek.
W innym pokazaliśmy, jak to zrobić może pojawić się także ciemna energia. Kiedy komórki czasoprzestrzeni są nasycone, nie mogą rejestrować nowych, niezależnych informacji. Zamiast tego przyczyniają się do pozostałości energii czasoprzestrzeni. Co ciekawe, ten pozostały wkład ma tę samą formę matematyczną co „stała kosmologiczna“, czyli ciemna energia, która powoduje, że wszechświat rozszerza się w przyspieszonym tempie.
Jego rozmiar odpowiada obserwowanej ciemnej energii, która napędza kosmiczne przyspieszenie. Łącznie wyniki te sugerują, że ciemna materia i ciemna energia mogą stanowić dwie strony tego samego informacyjnego medalu.
Cykliczny wszechświat?
Ale jeśli czasoprzestrzeń ma skończoną pamięć, co się stanie, gdy się zapełni? Nasza najnowsza praca kosmologiczna, przyjęta do publikacji w The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, wskazuje na cykliczny wszechświat – ciągłe rodzenie się i umieranie. Każdy cykl ekspansji i kurczenia się powoduje odkładanie w rejestrze większej entropii – miary nieporządku. Kiedy granica zostanie osiągnięta, wszechświat „wskakuje” w nowy cykl.
Osiągnięcie granicy oznacza, że pojemność informacyjna czasoprzestrzeni (entropia) jest maksymalna. W tym momencie skurcz nie może przebiegać płynnie. Równania pokazują, że zamiast zapaść się do osobliwości, zmagazynowana entropia powoduje odwrócenie, prowadząc do nowej fazy ekspansji. To jest to opisujemy jako „odbicie”.
Porównując model z danymi obserwacyjnymi, szacujemy, że Wszechświat przeszedł już trzy lub cztery cykle rozszerzania i kurczenia się, a pozostało ich mniej niż dziesięć. Po zakończeniu pozostałych cykli pojemność informacyjna czasoprzestrzeni zostanie w pełni nasycona. W tym momencie nie występują żadne dalsze odbicia. Zamiast tego wszechświat wszedłby w końcową fazę spowalniania ekspansji.
To sprawia, że prawdziwy „wiek informacyjny” kosmosu trwa około 62 miliardów lat, a nie tylko 13,8 miliarda lat naszej obecnej ekspansji.
Na razie może to brzmieć czysto teoretycznie. Ale przetestowaliśmy już części QMM na współczesnych komputerach kwantowych. Traktowaliśmy kubity, podstawowe jednostki komputerów kwantowych, jako maleńkie komórki czasoprzestrzeni. Korzystając z protokołów imprintingu i wyszukiwania opartych na równaniach QMM, odzyskaliśmy oryginalne stany kwantowe z ponad 90% dokładnością.
To pokazało nam dwie rzeczy. Po pierwsze, że operator imprintu działa na rzeczywistych układach kwantowych. Po drugie, ma to praktyczne zalety. Łącząc nadruk z konwencjonalnymi kodami korekcji błędów, znacznie zmniejszyliśmy błędy logiczne. Oznacza to, że QMM może nie tylko wyjaśnić kosmos, ale także pomóc nam lepiej budować komputery kwantowe.
QMM przekształca wszechświat zarówno w kosmiczny bank pamięci, jak i komputer kwantowy. Każde wydarzenie, każda siła, każda cząstka pozostawia ślad, który kształtuje ewolucję kosmosu. Łączy w sobie niektóre z najgłębszych zagadek fizyki, od paradoksu informacyjnego po ciemną materię i ciemną energię, od cykli kosmicznych po strzałkę czasu.
Robi to w sposób, który można już symulować i testować w laboratorium. Niezależnie od tego, czy QMM okaże się ostatnim słowem, czy odskocznią, otwiera zaskakującą możliwość: wszechświat może składać się nie tylko z geometrii i energii. To także pamięć. I w tej pamięci może wciąż zostać zapisany każdy moment kosmicznej historii.
