Уже довольно долго физики безуспешно пытаются объединить между собой общую теорию относительности и квантовую механику в единую теорию, которая бы объясняла взаимодействие между собой ключевых сил во Вселенной.
Отдельно обе теории прекрасно работают, описывая природу гравитации, искривление пространства-времени, мир частиц и полей. Однако попытки совместить их сталкиваются с проблемами, особенно если речь заходит о природе черных дыр, темной материи, энергии и появлении Вселенной .
Флориан Нойкарт и его коллеги из Лейденского университета в Нидерландах ищут новые способы решения этих проблем. Они выдвинули идею, что следует рассматривать информацию, а не материю или энергию или даже пространство-время, как ключевой компонент реальности. Они назвали эту структуру квантовой матрицей памяти.
Исследователи утверждают, что пространство-время не гладкое, а дискретное и состоит из крошечных ячеек, как предполагает квантовая механика. Каждая ячейка может хранить квантовый отпечаток каждого взаимодействия, например, прохождения частицы или взаимодействия определенных сил, таких как электромагнетизм, или ядерное взаимодействие. Каждое событие оставляет после себя крошечные изменения в локальном квантовом состоянии ячейки пространства-времени.
Исследователи начали с рассмотрения вопроса парадокса черной дыры. Согласно теории относительности, все, что попадает внутрь черной дыры, теряется навсегда. Однако квантовая теория утверждает, что это невозможно, поскольку информация никогда не уничтожается полностью.
Новая теория квантовой магнитной матрицы предполагает, что при попадании материи внутрь черной дыры окружающие ячейки пространства-времени фиксируют ее отпечаток. Когда черная дыра полностью испаряется, информация никуда не теряется. Она как будто уже записана в памяти пространства-времени.
Математически это описывается так называемым оператором импринтинга — обратимой переменной, которая обеспечивает сохранение информации. Сначала исследователи применили ее к гравитации, а затем решили проверить на других видах взаимодействий. Оказалось, что они подчиняются той же схеме.
В модели, предполагающей существование ячеек пространства-времени, сильные и слабые ядерные взаимодействия, удерживающие ядра атомов вместе, также оставляли следы. После этого ученые использовали эту концепцию для электромагнитного взаимодействия. Оказалось, что даже простое электрическое поле изменяет состояние памяти ячеек пространства-времени.
Это позволило ученым сформулировать принцип дуальности геометрии и информации. Такой взгляд предполагает, что форма пространства-времени зависит не только от массы и энергии, как постулировал Эйнштейн, но и от того, как распределяется квантовая информация, особенно вследствие запутанности.
В состоянии запутанности частицы настолько связаны между собой, что изменение состояния одной автоматически меняет состояние другой независимо от расстояния между ними. В одном из последних исследований ученые установили, что сгустки отпечатков ведут себя подобно темной материи — неизвестной субстанции, составляющей большую часть материи во Вселенной. Они группируются под воздействием гравитации и объясняют движение галактик, которые, вероятно, вращаются по орбитам с неожиданно высокой скоростью, без необходимости добавления других экзотических частиц.
В другом эксперименте исследователи продемонстрировали, как может образовываться темная энергия . Когда ячейки пространства-времени насыщаются, они перестают регистрировать новую информацию. Вместо этого они вносят вклад в остаточную энергию пространства-времени. Этот остаточный вклад описывается той же математической формулой, что и космологическая постоянная. Совокупно эти результаты предполагают, что темная материя и темная энергия могут быть двумя сторонами одной информационной медали.
Кроме этого исследователи рассмотрели вопрос ограниченности памяти пространства-времени. Исследователи пришли к выводу, что согласно их теории, Вселенная рождается и умирает снова и снова. Каждый цикл расширения и сжатия добавляет в реестр больше энтропии — меры хаоса. Достигнув предела, Вселенная «перескакивает» в новый цикл.
Достижение предела означает, что информационная наполненность пространства-времени (энтропия) достигла максимума. В этой точке сжатие уже не может быть плавным. Уравнения демонстрируют, что вместо коллапса в сингулярность, накопленная энтропия вызывает обратный процесс, который начинает новый этап расширения. Исследователи называют этот этап «отскоком».
Сравнивая собственную модель с данными наблюдений, по оценкам исследователей, Вселенная уже прошла 3-4 цикла расширения-сжатия и впереди еще менее 10 подобных циклов. После завершения всех циклов информационная емкость пространства-времени достигнет максимума и Вселенная перейдет в финальную фазу замедляющегося расширения. Это также означает, что реальный информационный возраст Вселенной составляет около 62 млрд лет, а не только 13,8 млрд текущего расширения.
Исследователи уже тестировали части квантовой микромеханики на современных квантовых компьютерах, рассматривая кубиты, как крошечные ячейки пространства-времени. Используя протоколы импринтинга и извлечения, основанные на уравнениях квантовой микромеханики, они восстановили исходные квантовые состояния с точностью более 90%.
Это доказало, что оператор импринтинга работает в реальных квантовых системах и имеет практическую пользу. Соединив импринтинг с традиционными кодами коррекции ошибок, исследователи значительно сократили количество логических ошибок. Это означает, что квантовая механика может объяснить не только космос, но и помочь в создании более совершенных квантовых компьютеров.
Независимо от того, окажется ли квантовая механика окончательным словом или лишь ступенькой к успеху, 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.
Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
Источники: The Conversation ; Space.com
