Новая теория: Вселенная — это гигантский банк памяти, объясняющий темную материю и энергию

Провокационная новая теория утверждает, что Вселенная меньше похожа на машину и больше — на огромный космический банк памяти. Credit: AI/ScienceDaily.com

Более ста лет физика строится на двух великих теориях. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства-времени. Квантовая механика управляет миром частиц и полей. Обе блестяще работают в своих областях, но при их объединении возникают противоречия — особенно в отношении черных дыр, темной материи, темной энергии и происхождения космоса.

Группа исследователей предложила новый способ преодолеть этот разрыв. Идея заключается в том, чтобы рассматривать информацию — не материю, не энергию и даже не само пространство-время — как самый фундаментальный ингредиент реальности. Эта концепция получила название «квантовая матрица памяти» (QMM).

В ее основе лежит простое, но мощное утверждение: пространство-время не является гладким, а дискретно — состоит из крошечных «ячеек», как предполагает квантовая механика. Каждая ячейка может хранить квантовый отпечаток каждого взаимодействия, например, прохождения частицы или влияния такой силы, как электромагнетизм или ядерные взаимодействия. Каждое событие оставляет крошечное изменение в локальном квантовом состоянии ячейки пространства-времени. Другими словами, Вселенная не просто эволюционирует. Она помнит.

История начинается с парадокса информации черной дыры. Согласно теории относительности, все, что попадает в черную дыру, исчезает навсегда. Согласно квантовой теории, это невозможно: информацию нельзя уничтожить. QMM предлагает выход. По мере падения материи внутрь, окружающие ячейки пространства-времени записывают ее отпечаток. Когда черная дыра в конце концов испаряется, информация не теряется — она уже записана в память пространства-времени.

Этот механизм математически описывается оператором отпечатка — обратимым правилом, обеспечивающим сохранение информации. Сначала эту концепцию применили к гравитации, но затем исследователи задались вопросом: а как насчет других сил природы? Оказалось, что они вписываются в ту же картину. Сильное и слабое ядерные взаимодействия, удерживающие атомные ядра, также оставляют следы в пространстве-времени. Позже концепцию расширили и на электромагнетизм.

Объяснение темной материи и темной энергии

Это привело к более широкому принципу, названному «дуальностью геометрии и информации». Согласно этому взгляду, форма пространства-времени определяется не только массой и энергией, как учил Эйнштейн, но и тем, как распределена квантовая информация, особенно через запутанность. Запутанность — это квантовая особенность, при которой две частицы могут быть таинственным образом связаны: изменение состояния одной мгновенно меняет состояние другой, даже если они находятся на расстоянии световых лет друг от друга.

Такая смена перспективы имеет драматические последствия. В одном из исследований было обнаружено, что скопления отпечатков ведут себя точно как темная материя — неизвестное вещество, составляющее большую часть материи во Вселенной. Они группируются под действием гравитации и объясняют движение галактик, которые вращаются с неожиданно высокими скоростями, без необходимости в экзотических новых частицах.

В другом исследовании показано, как может возникать и темная энергия. Когда ячейки пространства-времени насыщаются, они не могут записывать новую независимую информацию. Вместо этого они вносят вклад в остаточную энергию пространства-времени. Этот остаток имеет ту же математическую форму, что и «космологическая постоянная», или темная энергия, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Ее величина соответствует наблюдаемой темной энергии, управляющей космическим ускорением. Вместе эти результаты предполагают, что темная материя и темная энергия могут быть двумя сторонами одной информационной монеты.

Циклическая вселенная?

Но если пространство-время имеет конечную память, что происходит, когда она заполняется? Последняя космологическая статья исследователей, принятая к публикации в The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, указывает на циклическую Вселенную, которая рождается и умирает снова и снова. Каждый цикл расширения и сжатия добавляет энтропию — меру беспорядка — в реестр. Когда предел достигнут, Вселенная «отскакивает» в новый цикл.

Достижение предела означает, что информационная емкость (энтропия) пространства-времени максимальна. В этот момент сжатие не может продолжаться плавно. Уравнения показывают, что вместо коллапса в сингулярность, накопленная энтропия вызывает обращение, приводя к новой фазе расширения. Это описывается как «отскок».

Сравнивая модель с наблюдательными данными, исследователи оценивают, что Вселенная уже прошла через три или четыре цикла расширения и сжатия, и осталось менее десяти. После завершения оставшихся циклов информационная емкость пространства-времени будет полностью насыщена. В этот момент дальнейшие отскоки прекратятся, и Вселенная вступит в финальную фазу замедляющегося расширения.

Это означает, что истинный «информационный возраст» космоса составляет около 62 миллиардов лет, а не только 13,8 миллиардов лет нашего текущего расширения.

Пока это может звучать чисто теоретически, но части QMM уже были протестированы на современных квантовых компьютерах. Исследователи использовали кубиты, базовые единицы квантовых компьютеров, в качестве крошечных ячеек пространства-времени. Используя протоколы записи и извлечения отпечатков, основанные на уравнениях QMM, они восстановили исходные квантовые состояния с точностью более 90%. Это показало, что оператор отпечатка работает на реальных квантовых системах. Кроме того, объединив запись отпечатков с обычными кодами коррекции ошибок, удалось значительно снизить логические ошибки. Это означает, что QMM может не только объяснить космос, но и помочь в создании более совершенных квантовых компьютеров.

QMM переосмысливает Вселенную как одновременно космический банк памяти и квантовый компьютер. Каждое событие, каждая сила, каждая частица оставляет отпечаток, формирующий эволюцию космоса. Это связывает воедино некоторые из самых глубоких загадок физики: от парадокса информации до темной материи и темной энергии, от космических циклов до стрелы времени. И делает это способом, который уже можно моделировать и тестировать в лаборатории. Независимо от того, окажется ли QMM окончательным ответом или промежуточным этапом, она открывает поразительную возможность: Вселенная может быть не только геометрией и энергией. Она также является памятью. И в этой памяти, возможно, до сих пор записан каждый момент космической истории.

Источники:

Материалы предоставлены The Conversation. Оригинал написан Флорианом Нойкартом, доцентом физики Лейденского университета.