A kvantummechanika irányítja a részecskék és mezők világát. Mindkettő briliánsan működik a saját területén. De ha összeillesztjük őket, ellentmondások jelennek meg – különösen a fekete lyukak, a sötét anyag, a sötét energia és a kozmosz eredete tekintetében.

Kollégáimmal egy új módszert keresünk ennek a szakadéknak az áthidalására . Az ötlet az, hogy az információt – nem az anyagot, nem az energiát, sőt magát a téridőt sem – a valóság legalapvetőbb összetevőjeként kezeljük. Ezt a keretrendszert kvantummemória-mátrixnak (QMM) nevezzük.

A lényeg egy egyszerű, de erőteljes állítás: a téridő nem sima, hanem diszkrét – apró „sejtekből” áll, amint azt a kvantummechanika is sugallja. Minden cella képes tárolni minden kölcsönhatás kvantumlenyomatát, például egy részecske áthaladását, vagy akár egy erő, például az elektromágnesesség vagy a nukleáris kölcsönhatások hatását. Minden esemény apró változást hagy maga után a téridő cella lokális kvantumállapotában.

Más szóval, a világegyetem nem csak fejlődik. Emlékezik is.

A történet a fekete lyuk információs paradoxonjával kezdődik. A relativitáselmélet szerint bármi, ami beleesik egy fekete lyukba, az örökre eltűnik. A kvantumelmélet szerint ez lehetetlen. Az információ soha nem semmisülhet meg .

A QMM kiutat kínál. Ahogy az anyag behullik, a környező téridő-cellák rögzítik a lenyomatát. Amikor a fekete lyuk végül elpárolog, az információ nem vész el. Már beíródott a téridő memóriájába.

Ezt a mechanizmust matematikailag az úgynevezett imprint operátor ragadja meg, egy megfordítható szabály, amely az információmegmaradást működikká teszi. Először a gravitációra alkalmaztuk ezt . De aztán megkérdeztük: mi a helyzet a természet többi erőjével? Kiderült, hogy azok is ugyanerre a képre illeszkednek.

A téridő-cellák létezését feltételező modelljeinkben az atommagokat összetartó erős és gyenge magerők szintén nyomokat hagynak a téridőben . Később kiterjesztettük a keretrendszert az elektromágnesességre (bár ez a cikk jelenleg lektorálás alatt áll). Már egy egyszerű elektromos mező is megváltoztatja a téridő-cellák memóriaállapotát.

A sötét anyag és a sötét energia magyarázata

Ez vezetett el minket egy tágabb elvhez, amelyet geometria-információ dualitásnak nevezünk . Ebben a nézetben a téridő alakját nemcsak a tömeg és az energia befolyásolja, ahogy Einstein tanította nekünk, hanem az is, hogyan oszlik el a kvantuminformáció, különösen az összefonódáson keresztül. Az összefonódás egy olyan kvantumjellemző, amelyben két részecske például kísértetiesen összekapcsolódhat, ami azt jelenti, hogy ha megváltoztatjuk az egyik állapotát, automatikusan és azonnal megváltoztatjuk a másikat is – még akkor is, ha az fényévekre van tőlünk.

Ennek a szemléletváltásnak drámai következményei vannak. Egy jelenleg lektorálás alatt álló tanulmányban azt találtuk, hogy a lenyomatok csomói ugyanúgy viselkednek, mint a sötét anyag , egy ismeretlen anyag, amely az univerzum anyagának nagy részét alkotja. A gravitáció hatására csoportosulnak, és megmagyarázzák a galaxisok mozgását – amelyek látszólag váratlanul nagy sebességgel keringenek – anélkül, hogy egzotikus új részecskékre lenne szükségük.

Egy másikban bemutattuk, hogyan keletkezhet sötét energia is . Amikor a téridő-cellák telítődnek, nem tudnak új, független információkat rögzíteni. Ehelyett a téridő reziduális energiájához járulnak hozzá. Érdekes módon ez a reziduális hozzájárulás ugyanolyan matematikai formát ölt, mint a „kozmológiai állandó”, vagy sötét energia, ami a világegyetem gyorsuló tágulását okozza.

Mérete megegyezik a kozmikus gyorsulást előidéző ​​megfigyelt sötét energiával. Ezek az eredmények együttesen arra utalnak, hogy a sötét anyag és a sötét energia ugyanazon információs érme két oldala lehet.

Ciklikus univerzum?

De ha a téridőnek véges memóriája van, mi történik, amikor megtelik? Legújabb kozmológiai cikkünk, amelyet a The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics című folyóiratban fogadtak el közlésre, egy ciklikus univerzumra mutat rá – amely újra és újra megszületik és meghal. Minden egyes tágulási és összehúzódási ciklus több entrópiát – a rendezetlenség mértékét – helyez el a főkönyvben. Amikor eléri ezt a határt, az univerzum „visszapattan” egy új ciklusba.

A korlát elérése azt jelenti, hogy a téridő információkapacitása (entrópiája) a maximumra csökken. Ezen a ponton az összehúzódás nem folytatódhat simán. Az egyenletek azt mutatják, hogy a szingularitásba való összeomlás helyett a tárolt entrópia egy visszafordulást idéz elő, ami a tágulás egy új fázisához vezet. Ezt nevezzük „visszapattanásnak” .

A modell és a megfigyelési adatok összehasonlításával arra a becslésre jutottunk, hogy az univerzum már három vagy négy tágulási és összehúzódási cikluson ment keresztül, és kevesebb mint tíz van hátra. A fennmaradó ciklusok befejeződése után a téridő információs kapacitása teljesen telítődik. Ezen a ponton további visszapattanások nem történnek. Ehelyett az univerzum a lassuló tágulás utolsó fázisába lép.

Ez a kozmosz valódi „információs korát” körülbelül 62 milliárd évre teszi, nem csak a jelenlegi tágulásunk 13,8 milliárd évére.

Eddig ez pusztán elméletinek tűnhet. De a QMM egyes részeit már teszteltük mai kvantumszámítógépeken. A kvantumszámítógépek alapegységeit, a qubiteket apró téridő-cellákként kezeltük. A QMM-egyenleteken alapuló lenyomat- és visszakeresési protokollok segítségével több mint 90%-os pontossággal állítottuk vissza az eredeti kvantumállapotokat.

Ez két dolgot mutatott meg nekünk. Először is, hogy az imprint operátor valódi kvantumrendszereken működik. Másodszor, gyakorlati előnyökkel jár. Az imprinting és a hagyományos hibajavító kódok kombinálásával jelentősen csökkentettük a logikai hibákat . Ez azt jelenti, hogy a kvantummechanika nemcsak a kozmoszt magyarázhatja meg, hanem jobb kvantumszámítógépek építésében is segíthet.

A kvantummechanika (QMM) a világegyetemet egyszerre kozmikus memóriabankként és kvantumszámítógépként értelmezi újra. Minden esemény, minden erő, minden részecske lenyomatot hagy, amely formálja a kozmosz evolúcióját. Összeköti a fizika legmélyebb rejtélyeit, az információs paradoxontól a sötét anyagon és a sötét energián át, a kozmikus ciklusoktól az idő nyiláig.

És ezt olyan módon teszi, amely már szimulálható és tesztelhető a laboratóriumban. Akár a kvantumos MM bizonyul a végső szónak, akár csak egy lépcsőfoknak, megdöbbentő lehetőséget nyit meg: az univerzum nemcsak geometriából és energiából állhat. Emlékezet is. És ebben az emlékezetben a kozmikus történelem minden pillanata továbbra is íródik. (theconversation.com)

Címlapkép forrása: ESA/Webb, NASA és CSA, G. Östlin, PG Perez-Gonzalez, J. Melinder, a JADES Együttműködés, M. Zamani (ESA/Webb) , CC BY-SA