Информация может быть фундаментальной составляющей Вселенной и способна объяснить существование тёмной энергии и тёмной материи

Другими словами, Вселенная не просто развивается. Она помнит. На протяжении более чем ста лет физика строилась на двух великих теориях. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства и времени.

Квантовая механика управляет миром частиц и полей. Обе теории прекрасно работают в своих областях. Но если объединить их, возникают противоречия — особенно когда речь идёт о чёрных дырах, тёмной материиr, тёмной энергии и происхождении Вселенной.

Мы с коллегами изучаем новый способ преодолеть этот разрыв. Идея состоит в том, чтобы рассматривать информацию — не материю, не энергию и даже не само пространство-время — как наиболее фундаментальную составляющую реальности. Мы называем эту концепцию матрицей квантовой памяти (МКП).

В его основе лежит простое, но убедительное утверждение: пространство-время не является непрерывным, а состоит из дискретных «ячеек», как предполагает квантовая механика. Каждая ячейка может хранить квантовый отпечаток каждого взаимодействия, например прохождения частицы или даже воздействия такой силы, как электромагнетизм или ядерные взаимодействия. Каждое событие оставляет после себя крошечное изменение в локальном квантовом состоянии ячейки пространства-времени.

Другими словами, Вселенная не просто развивается. Она помнит.

История начинается с информационного парадокса чёрной дыры. Согласно теории относительности, всё, что попадает в чёрную дыру, исчезает навсегда. Согласно квантовой теории, это невозможно. Информация не может быть уничтожена.

Квантовая механика предлагает выход. Когда материя падает в чёрную дыру, окружающие её ячейки пространства-времени фиксируют её след. Когда чёрная дыра в конце концов испаряется, информация не теряется. Она уже записана в память пространства-времени.

Этот механизм математически описывается тем, что мы называем оператором отпечатка — обратимым правилом, обеспечивающим сохранение информации. Сначала мы применили его к гравитации. Но потом мы задались вопросом: а как насчёт других сил природы? Оказалось, что они вписываются в ту же картину.

В наших моделях, предполагающих существование пространственно-временных ячеек, сильное и слабое ядерные взаимодействия, которые удерживают атомные ядра вместе, также оставляют следы в пространстве-времени. Позже мы расширили эту концепцию, включив в неё электромагнетизм (хотя эта статья в настоящее время проходит рецензирование). Даже простое электрическое поле изменяет состояние памяти пространственно-временных ячеек.

Объяснение природы тёмной материи и тёмной энергии

Это привело нас к более широкому принципу, который мы называем дуальностью геометрии и информации. Согласно этой точке зрения, на форму пространства-времени влияют не только масса и энергия, как учил нас Эйнштейн, но и то, как распределяется квантовая информация, особенно посредством запутанности. Запутанность — это квантовая особенность, при которой две частицы, например, могут быть странным образом связаны, то есть если вы измените состояние одной из них, вы автоматически и мгновенно измените и другую — даже если она находится на расстоянии световых лет.

Этот сдвиг в перспективе имеет драматические последствия. В одном из исследований, которое в настоящее время проходит экспертную оценку, мы обнаружили, что скопления отпечатков ведут себя так же, как тёмная материя — неизвестное вещество, составляющее большую часть материи во Вселенной. Они группируются под действием гравитации и объясняют движение галактик, которые, как кажется, вращаются с неожиданно высокой скоростью, без привлечения каких-либо новых экзотических частиц.

В другой статье мы показали, как может возникать тёмная энергия. Когда ячейки пространства-времени насыщены, они не могут записывать новую, независимую информацию. Вместо этого они вносят свой вклад в остаточную энергию пространства-времени. Интересно, что этот остаточный вклад имеет ту же математическую форму, что и "космологическая постоянная", или тёмная энергия, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением.

Его размер соответствует наблюдаемой тёмной энергии, которая вызывает космическое ускорение. В совокупности эти результаты позволяют предположить, что тёмная материя и тёмная энергия могут быть двумя сторонами одной информационной медали.

Циклическая вселенная?

Но если у пространства-времени есть ограниченная память, что происходит, когда она заполняется? Наша последняя статья по космологии, принятая к публикации в The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, указывает на циклическую Вселенную — она рождается и умирает снова и снова. Каждый цикл расширения и сжатия добавляет в реестр энтропию — меру беспорядка. Когда предел достигнут, Вселенная «перескакивает» на новый цикл.

Достижение границы означает, что информационная ёмкость (энтропия) пространства-времени максимальна. В этот момент сжатие не может продолжаться плавно. Уравнения показывают, что вместо коллапса в сингулярность накопленная энтропия приводит к развороту, который запускает новую фазу расширения. Это то, что мы называем «отскоком».

Сравнивая модель с данными наблюдений, мы пришли к выводу, что Вселенная уже прошла через три или четыре цикла расширения и сжатия, и осталось менее десяти циклов. После завершения оставшихся циклов информационная ёмкость пространства-времени будет полностью исчерпана. После этого отскоков больше не будет. Вместо этого Вселенная вступит в финальную фазу замедленного расширения.

Таким образом, истинный «информационный век» в космосе длится около 62 миллиардов лет, а не 13,8 миллиарда лет, как во время нашего нынешнего расширения.

Пока что это может показаться чисто теоретической разработкой. Но мы уже протестировали некоторые части квантовой механики на современных квантовых компьютерах. Мы рассматривали кубиты, базовые элементы квантовых компьютеров, как крошечные ячейки пространства-времени. Используя протоколы сохранения и восстановления, основанные на уравнениях квантовой механики, мы восстановили исходные квантовые состояния с точностью более 90 %.

Это показало нам две вещи. Во-первых, оператор импринтинга работает на реальных квантовых системах. Во-вторых, у него есть практические преимущества. Комбинируя импринтинг с обычными кодами коррекции ошибок, мы значительно сократили количество логических ошибок. Это значит, что квантовая механика может не только объяснить устройство космоса, но и помочь нам создать более совершенные квантовые компьютеры

Квантовая механика рассматривает Вселенную как банк космической памяти и квантовый компьютер. Каждое событие, каждая сила, каждая частица оставляют след, который формирует эволюцию космоса. Это связывает воедино некоторые из самых сложных загадок физики: от информационного парадокса до тёмной материи и тёмной энергии, от космических циклов до стрелы времени.

И это происходит таким образом, который уже можно смоделировать и протестировать в лаборатории. Независимо от того, окажется ли квантовая механика материи последним словом в науке или станет отправной точкой для новых исследований, она открывает поразительную возможность: Вселенная может быть не только геометрией и энергией. Она также является памятью. И в этой памяти может быть записан каждый момент космической истории.