Вже тривалий час фізики намагаються поєднати між собою загальну теорію відносності та квантову механіку у єдину теорію, яка б пояснювала взаємодію між собою ключових сил у Всесвіті.

Окремо обидві теорії чудово працюють, описуючи природу гравітації, викривлення простору-часу, світ частинок та полів. Однак спроби поєднати їх стикаються із проблемами, особливо якщо мова заходить про природу чорних дір, темну матерію, енергію та появу Всесвіту.

Флоріан Нойкарт та його колеги з Лейденського університету у Нідерландах шукають нові способи розв’язання цих проблем. Вони висунули ідею, що слід розглядати інформацію, а не матерію чи енергію або навіть простір-час, як ключовий компонент реальності. Вони назвали цю структуру квантовою матрицею пам’яті.

Дослідники стверджують, що простір-час не гладкий, а дискретний і складається з крихітних осередків, як передбачає квантова механіка. Кожен осередок може зберігати квантовий відбиток кожної взаємодії, наприклад, проходження частинки або взаємодії певних сил, таких як електромагнетизм, або ядерна взаємодія. Кожна подія залишає по собі крихітні зміни у локальному квантовому стані осередку простору-часу.

Дослідники почали з розгляду питання парадокса чорної діри. Згідно із теорією відносності, все, що потрапляє всередину чорної діри, втрачається назавжди. Однак квантова теорія стверджує, що це неможливо, оскільки інформація ніколи не знищується повністю.

Нова теорія квантової магнітної матриці передбачає, що під час потрапляння матерії всередину чорної діри навколишні осередки простору-часу фіксують її відбиток. Коли чорна діра повністю випаровується, інформація нікуди не втрачається. Вона наче вже записана у пам’яті простору-часу.

Математично це описується так званим оператором імпринтингу — оборотною змінною, яка забезпечує збереження інформації. Спочатку дослідники застосували її до гравітації, а потім вирішили перевірити на інших видах взаємодій. Виявилось, що вони підкоряються тій самій схемі. 

У моделі, що передбачає існування осередків простору-часу, сильні та слабкі ядерні взаємодії, які утримують ядра атомів разом, також залишали сліди. Після цього науковці використали цю концепцію для електромагнітної взаємодії. Виявилось, що навіть просте електричне поле змінює стан пам’яті осередків простору-часу. 

Це дозволило науковцям сформулювати принцип дуальності геометрії та інформації. Такий погляд передбачає, що форма простору-часу залежить не лише від маси та енергії, як постулював Ейнштейн, а й від того, як розподіляється квантова інформація, особливо внаслідок заплутаності.

У стані заплутаності частинки настільки пов’язані між собою, що зміна стану однієї автоматично змінює стан іншої незалежно від відстані між ними. В одному з останніх досліджень науковці встановили, що згустки відбитків поводяться подібно до темної матерії — невідомої субстанції, що становить більшу частину матерії у Всесвіті. Вони групуються під впливом гравітації і пояснюють рух галактик, які, ймовірно, обертаються по орбітах з неочікувано високою швидкістю, без необхідності додавання інших екзотичних частинок.

В іншому експерименті дослідники продемонстрували, як може утворюватись темна енергія. Коли осередки простору-часу насичуються, вони перестають реєструвати нову інформацію. Замість цього вони роблять внесок у залишкову енергію простору-часу. Цей залишковий вклад описується тією самою математичною формулою, що й космологічна стала. Сукупно ці результати припускають, що темна матерія та темна енергія можуть бути двома сторонами однієї інформаційної медалі.

Окрім цього дослідники розглянули питання обмеженості пам’яті простору-часу. Дослідники дійшли висновку, що відповідно до їхньої теорії, Всесвіт народжується та вмирає знову і знову. Кожен цикл розширення та стиснення додає до реєстру більше ентропії – міри хаосу. Досягши межі, Всесвіт “перескакує” у новий цикл. 

Досягнення межі означає, що інформаційна наповненість простору-часу (ентропія) сягнула максимуму. У цій точці стиснення вже не може бути плавним. Рівняння демонструють, що замість колапсу у сингулярність, накопичена ентропія викликає зворотний процес, який розпочинає новий етап розширення. Дослідники називають цей етап “відскоком”.

Порівнюючи власну модель з даними спостережень, за оцінками дослідників, Всесвіт вже пройшов 3-4 цикли розширення-стиснення і попереду ще менш як 10 подібних циклів. Після завершення всіх циклів інформаційна ємність простору-часу досягне максимуму і Всесвіт перейде у фінальну фазу розширення, що сповільнюється. Це також означає, що реальний інформаційний вік Всесвіту складає близько 62 млрд років, а не тільки 13,8 млрд поточного розширення. 

Дослідники вже тестували частини квантової мікромеханіки на сучасних квантових комп’ютерах, розглядаючи кубіти, як крихітні осередки простору-часу. Використовуючи протоколи імпринтингу та вилучення, що базуються на рівняннях квантової мікромеханіки, вони відновили вихідні квантові стани з точністю понад 90%.

Це довело, що оператор імпринтингу працює у реальних квантових системах та має практичну користь. Поєднавши імпринтинг із традиційними кодами корекції помилок, дослідники значно скоротили кількість логічних помилок. Це означає, що квантова механіка може пояснити не тільки космос, але й допомогти у створенні більш досконалих квантових комп’ютерів. 

Незалежно від того, чи виявиться квантова механіка остаточним словом або лише сходинкою до успіху, вона відкриває разючу можливість: Всесвіт може бути не тільки геометрією та енергією. Він також є пам’яттю. І в цій пам’яті може бути записаний кожен момент космічної історії.

Результати дослідження опубліковані у журналі The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

Джерела: The Conversation; Space.com