آیا حافظه کیهانی می تواند ماده تاریک، انرژی تاریک و سیاهچاله ها را توضیح دهد؟

مکانیک کوانتومی بر دنیای ذرات و میدان ها حاکم است. هر دو در زمینه های خود به خوبی کار می کنند. اما اگر آنها را کنار هم قرار دهید، تضادهایی پدیدار خواهند شد – به خصوص وقتی صحبت از سیاهچاله ها، ماده تاریک، انرژی تاریک و منشأ کیهان باشد.

من و همکارانم در حال بررسی راه جدیدی برای پر کردن این شکاف هستیم. ایده این است که اطلاعات – نه ماده، نه انرژی، نه حتی خود فضازمان – را به‌عنوان اساسی‌ترین عنصر واقعیت در نظر بگیریم. ما این چارچوب را ماتریس حافظه کوانتومی (QMM) می نامیم.

در هسته آن یک جمله ساده اما قدرتمند وجود دارد: فضا-زمان صاف نیست، بلکه گسسته است – از “سلول های کوچک” ساخته شده است، که مکانیک کوانتومی به آن اشاره می کند. هر سلول می تواند اثر انگشت کوانتومی هر برهمکنشی مانند عبور یک ذره یا حتی تأثیر نیرویی مانند الکترومغناطیس یا فعل و انفعالات هسته ای را که از آن عبور می کند، ذخیره کند. هر رویداد یک تغییر کوچک در وضعیت کوانتومی محلی سلول فضا-زمان به جای می گذارد.

به عبارت دیگر، جهان به سادگی در حال تکامل نیست. به یاد می آورد.

داستان با پارادوکس اطلاعات سیاهچاله آغاز می شود. طبق نظریه نسبیت، هر چیزی که در سیاهچاله بیفتد برای همیشه ناپدید می شود. بر اساس نظریه کوانتومی، این غیرممکن است. اطلاعات هرگز از بین نمی روند.

QMM راهی برای خروج ارائه می دهد. با سقوط ماده، سلول های اطراف فضا-زمان اثر آن را ثبت می کنند. وقتی سیاهچاله در نهایت تبخیر می شود، هیچ اطلاعاتی از بین نمی رود. قبلاً در حافظه فضا-زمان نوشته شده است.

این مکانیزم به صورت ریاضی توسط آنچه ما عملگر imprint می نامیم، ثبت می شود، یک قانون برگشت پذیر که باعث می شود حفظ اطلاعات کار کند. ما در ابتدا این را برای جاذبه اعمال کردیم. اما بعد پرسیدیم: دیگر نیروهای طبیعت چطور؟ معلوم می شود که آنها با همان تصویر مطابقت دارند.

در مدل‌های ما، با فرض وجود سلول‌های فضازمان، نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیفی که هسته‌های اتمی را در کنار هم نگه می‌دارند، در فضازمان نیز ردپایی از خود به جای می‌گذارند. ما بعداً چارچوب را به الکترومغناطیس گسترش دادیم (اگرچه این مقاله در حال حاضر تحت بررسی همتایان است). حتی یک میدان الکتریکی ساده وضعیت حافظه سلول های فضا-زمان را تغییر می دهد.

ماده تاریک و انرژی تاریک توضیح داده شده است

این ما را به یک اصل گسترده تر هدایت کرد که آن را دوگانگی هندسه-اطلاعات می نامیم. بر اساس این دیدگاه، شکل فضا-زمان نه تنها تحت تأثیر جرم و انرژی، همانطور که انیشتین به ما آموخت، بلکه از نحوه توزیع اطلاعات کوانتومی، به ویژه توسط درهم تنیدگی نیز تأثیر می‌پذیرد. درهم تنیدگی یک ویژگی کوانتومی است که در آن، برای مثال، دو ذره می‌توانند شبح‌وار به هم مرتبط شوند، به این معنی که اگر حالت یکی را تغییر دهید، دیگری را نیز به‌طور خودکار و فوری تغییر می‌دهید – حتی اگر سال نوری از ما فاصله داشته باشد.

این تغییر دیدگاه عواقب چشمگیری دارد. در مطالعه‌ای که در حال حاضر تحت بررسی همتایان است، دریافتیم که توده‌های ردپا دقیقاً مانند ماده تاریک عمل می‌کنند، یک ماده ناشناخته که بیشتر ماده در جهان را تشکیل می‌دهد. آنها تحت تأثیر گرانش به هم خوشه می‌شوند و حرکت کهکشان‌ها را توضیح می‌دهند – که به نظر می‌رسد با سرعت‌های غیرمنتظره‌ای بالا در حال گردش هستند – بدون نیاز به ذرات جدید عجیب و غریب.

در دیگری، نشان دادیم که چگونه انرژی تاریک نیز می تواند ظاهر شود. هنگامی که سلول های فضایی-زمانی اشباع می شوند، نمی توانند اطلاعات جدید و مستقل را ثبت کنند. در عوض، آنها به انرژی باقیمانده فضازمان کمک می کنند. جالب اینجاست که این سهم باقیمانده همان شکل ریاضی “ثابت کیهانی” یا انرژی تاریک را دارد که باعث می شود جهان با سرعتی شتابان منبسط شود.

اندازه آن با انرژی تاریک مشاهده شده که شتاب کیهانی را هدایت می کند، مطابقت دارد. این نتایج با هم نشان می دهد که ماده تاریک و انرژی تاریک ممکن است دو روی یک سکه اطلاعاتی باشند.

یک جهان چرخه ای؟

اما اگر فضا-زمان حافظه محدودی دارد، وقتی پر می شود چه اتفاقی می افتد؟ آخرین مقاله کیهان شناسی ما، که برای انتشار در مجله کیهان شناسی و فیزیک ذرات نجومی پذیرفته شده است، به یک جهان چرخه ای اشاره می کند که بارها و بارها متولد شده و می میرد. هر چرخه انبساط و انقباض، آنتروپی بیشتری – معیاری از بی نظمی – در دفتر ثبت می کند. با رسیدن به حد مجاز، جهان به چرخه جدیدی “جهش” می زند.

رسیدن به حد به این معنی است که ظرفیت اطلاعاتی فضا-زمان (آنتروپی) به حداکثر خود رسیده است. در این مرحله، انقباض نمی تواند به آرامی ادامه یابد. معادلات نشان می‌دهند که آنتروپی ذخیره‌شده به جای فروپاشی به یک تکینگی، منجر به معکوس می‌شود که منجر به فاز انبساط جدیدی می‌شود. این همان چیزی است که ما به عنوان “جهش” توصیف می کنیم.

با مقایسه مدل با داده های رصدی، تخمین می زنیم که جهان در حال حاضر سه یا چهار چرخه انبساط و انقباض را پشت سر گذاشته است که کمتر از ده چرخه باقی مانده است. پس از تکمیل چرخه های باقیمانده، ظرفیت اطلاعاتی فضا-زمان کاملاً اشباع می شود. در این مرحله هیچ پرش دیگری ظاهر نمی شود. در عوض، جهان وارد مرحله نهایی کاهش سرعت خواهد شد.

این باعث می شود که “عصر اطلاعات” واقعی کیهان حدود 62 میلیارد سال باشد، نه فقط 13.8 میلیارد سال از گسترش فعلی ما.

در حال حاضر، این ممکن است صرفاً نظری به نظر برسد. اما قبلاً بخش‌هایی از QMM را روی رایانه‌های کوانتومی امروزی آزمایش کرده‌ایم. ما کیوبیت‌ها، واحدهای اساسی رایانه‌های کوانتومی را به‌عنوان سلول‌های کوچک فضا-زمان در نظر گرفتیم. با استفاده از پروتکل های چاپ و استخراج بر اساس معادلات QMM، ما حالت های کوانتومی اولیه را با دقت بیش از 90 درصد بازیابی کردیم.

این دو چیز را به ما نشان داد. اول اینکه عملگر imprint روی سیستم های کوانتومی واقعی کار می کند. دوم، مزایای عملی وجود دارد. با ترکیب چاپ با کدهای مرسوم تصحیح خطا، خطاهای منطقی را تا حد زیادی کاهش داده ایم. این بدان معنی است که QMM نه تنها می تواند کیهان را توضیح دهد، بلکه به ما کمک می کند تا کامپیوترهای کوانتومی بهتری بسازیم.

QMM جهان را هم به عنوان یک بانک حافظه کیهانی و هم به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی بازسازی می کند. هر رویداد، هر نیرو، هر ذره اثری بر جای می گذارد که تکامل کیهان را شکل می دهد. برخی از عمیق ترین معماهای فیزیک، از پارادوکس اطلاعات تا ماده تاریک و انرژی تاریک، از چرخه های کیهانی تا پیکان زمان را به هم متصل می کند.

و این کار را به گونه ای انجام می دهد که اکنون می توان آن را در آزمایشگاه شبیه سازی و آزمایش کرد. چه QMM آخرین کلمه باشد یا یک پله، امکان شگفت انگیزی را به وجود می آورد: جهان ممکن است تماماً هندسه و انرژی نباشد. حافظه هم هست و در این خاطره هنوز می توان هر لحظه از تاریخ کیهانی را ثبت کرد.