De mai bine de un secol, fizica se sprijină pe două mari teorii. Relativitatea generală a lui Einstein explică gravitația ca o curbare a spațiu-timpului. Mecanica cuantică guvernează lumea particulelor și a câmpurilor. Ambele funcționează remarcabil în domeniile lor. Însă, atunci când sunt puse împreună, apar contradicții – mai ales în ceea ce privește găurile negre, materia întunecată, energia întunecată și originile cosmosului.
Eu și colegii mei am explorat o nouă modalitate de a depăși această ruptură. Ideea este să tratăm informația – nu materia, nu energia, nici măcar spațiul-timp însuși – drept ingredientul fundamental al realității. Numim acest cadru matricea memoriei cuantice (quantum memory matrix, QMM).
La baza lui stă o afirmație simplă, dar puternică: spațiu-timpul nu este continuu, ci discret – alcătuit din „celule” minuscule, așa cum sugerează mecanica cuantică. Fiecare celulă poate stoca o amprentă cuantică a fiecărei interacțiuni – precum trecerea unei particule sau influența unei forțe, cum ar fi electromagnetismul ori interacțiunile nucleare – care o traversează. Fiecare eveniment lasă în urmă o mică modificare a stării cuantice locale a celulei de spațiu-timp.
Cu alte cuvinte, universul nu doar evoluează. El își amintește.
Povestea începe cu paradoxul informației din găurile negre. Potrivit relativității, orice cade într-o gaură neagră dispare pentru totdeauna. Potrivit teoriei cuantice, acest lucru este imposibil. Informația nu poate fi distrusă niciodată.
QMM oferă o ieșire din acest impas. Pe măsură ce materia cade în gaură, celulele de spațiu-timp din jur îi înregistrează amprenta. Când gaura neagră se evaporă în cele din urmă, informația nu se pierde. Ea a fost deja înscrisă în memoria spațiului-timp.
Acest mecanism este surprins matematic prin ceea ce numim operatorul de amprentare, o regulă reversibilă care asigură conservarea informației. Inițial, l-am aplicat gravitației. Apoi ne-am întrebat: dar celelalte forțe ale naturii? S-a dovedit că se încadrează în același tablou.
În modelele noastre care presupun existența celulelor de spațiu-timp, forțele nucleară tare și slabă, care țin laolaltă nucleele atomice, lasă și ele urme în spațiu-timp. Ulterior, am extins cadrul la electromagnetism (deși acest articol este în prezent în evaluare de specialitate). Chiar și un câmp electric simplu modifică starea de memorie a celulelor de spațiu-timp.
Explicarea materiei întunecate și a energiei întunecate
Aceasta ne-a condus la un principiu mai general, pe care îl numim dualitatea geometrie–informație. În această viziune, forma spațiului-timp este influențată nu doar de masă și energie, așa cum ne-a învățat Einstein, ci și de modul în care informația cuantică este distribuită, în special prin inseparabilitate cuantică.
Inseparabilitatea cuantică este o proprietate cuantică prin care două particule, de pildă, pot fi corelate într-un mod straniu: dacă modifici starea uneia, starea celeilalte se modifică automat și instantaneu – chiar dacă se află la ani-lumină distanță.
Această schimbare de perspectivă are consecințe dramatice. Într-un studiu aflat în prezent în evaluare de specialitate, am constatat că aglomerările de amprente se comportă exact ca materia întunecată, o substanță necunoscută care constituie cea mai mare parte a materiei din univers. Ele se grupează sub acțiunea gravitației și explică mișcarea galaxiilor – care par să orbiteze la viteze neașteptat de mari – fără a fi nevoie de particule exotice noi.
Într-un alt studiu am arătat cum ar putea apărea și energia întunecată. Atunci când celulele de spațiu-timp sunt saturate, ele nu mai pot înregistra informație nouă, independentă. În schimb, contribuie la o energie reziduală a spațiu-timpului. Interesant este că această contribuție reziduală are aceeași formă matematică precum „constanta cosmologică” sau energia întunecată, care face ca universul să se extindă într-un ritm accelerat.
Dimensiunea ei corespunde energiei întunecate observate care conduce accelerația cosmică. Împreună, aceste rezultate sugerează că materia întunecată și energia întunecată ar putea fi două fețe ale aceleiași monede informaționale.
Un univers ciclic?
Dar dacă spațiu-timpul are o memorie finită, ce se întâmplă atunci când aceasta se umple? Cel mai recent articol cosmologic al nostru, acceptat pentru publicare în The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, indică un univers ciclic – care se naște și moare iar și iar. Fiecare ciclu de expansiune și contracție depune mai multă entropie – o măsură a dezordinii – în acest registru. Când limita este atinsă, universul „ricoșează” într-un nou ciclu.
Atingerea limitei înseamnă că, în fapt, capacitatea informațională (entropia) a spațiului-timp este maximizată. În acel moment, contracția nu mai poate continua lin. Ecuațiile arată că, în loc să se prăbușească într-o singularitate, entropia stocată determină o inversare, conducând la o nouă fază de expansiune. Acesta este ceea ce descriem drept un „salt”.
Comparând modelul cu datele observaționale, estimăm că universul a trecut deja prin trei sau patru cicluri de expansiune și contracție, cu mai puțin de zece rămase. După finalizarea ciclurilor rămase, capacitatea informațională a spațiului-timp ar fi complet saturată. În acel moment, nu vor mai avea loc noi salturi. În schimb, universul ar intra într-o fază finală de expansiune lentă.
Aceasta face ca adevărata „vârstă informațională” a cosmosului să fie de aproximativ 62 de miliarde de ani, nu doar cei 13,8 miliarde de ani ai expansiunii actuale.
Până aici, totul ar putea părea pur teoretic. Dar am testat deja părți ale QMM pe computere cuantice actuale. Am tratat qubiții, unitățile de bază ale calculatoarelor cuantice, ca pe niște celule minuscule de spațiu-timp. Folosind protocoale de amprentare și recuperare bazate pe ecuațiile QMM, am recuperat stările cuantice originale cu o acuratețe de peste 90%.
Acest lucru ne-a arătat două aspecte. În primul rând, operatorul de amprentare funcționează pe sisteme cuantice reale. În al doilea rând, are beneficii practice. Prin combinarea amprentării cu coduri convenționale de corecție a erorilor, am redus semnificativ erorile logice. Asta înseamnă că QMM ar putea nu doar să explice cosmosul, ci și să ne ajute să construim calculatoare cuantice mai bune.
QMM reformulează universul ca fiind atât o bancă de memorie cosmică, cât și un calculator cuantic. Fiecare eveniment, fiecare forță, fiecare particulă lasă o amprentă care modelează evoluția cosmosului. Leagă unele dintre cele mai profunde enigme ale fizicii, de la paradoxul informației la materia și energia întunecată, de la ciclurile cosmice la săgeata timpului.
Și o face într-un mod care poate fi deja simulat și testat în laborator. Indiferent dacă QMM se va dovedi cuvântul final sau doar o etapă intermediară, ea deschide o posibilitate surprinzătoare: universul nu este doar geometrie și energie. Este și memorie. Iar în această memorie, fiecare moment al istoriei cosmice ar putea fi încă înscris.
Traducere după Information could be a fundamental part of the universe de Florian Neukart, profesor de fizică, Leiden University.
