|
Как объяснить темную энергию и темную материю
|
|
|
|
Уже более ста лет физика основывается на двух великих теориях. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства и времени. Квантовая механика управляет миром частиц и полей. Оба они блестяще работают в своих областях. Но если сложить их вместе, то обнаружатся противоречия — особенно когда речь заходит о черных дырах, темной материи, темной энергии и происхождении космоса.
|
|
|
|
Мы с коллегами изучаем новый способ преодоления этого разрыва. Идея заключается в том, чтобы рассматривать информацию — не материю, не энергию и даже не само пространство—время - как самый фундаментальный компонент реальности. Мы называем эту структуру квантовой матрицей памяти (QMM).
|
|
|
|
В его основе лежит простое, но весомое утверждение: пространство—время не гладкое, а дискретное - состоит из крошечных "ячеек", что и предполагает квантовая механика. Каждая ячейка может хранить квантовый отпечаток каждого взаимодействия, такого как пролет частицы или даже воздействие такой силы, как электромагнетизм или ядерные взаимодействия, которое проходит через нее. Каждое событие оставляет после себя небольшое изменение в локальном квантовом состоянии ячейки пространства-времени.
|
|
|
|
Другими словами, вселенная не просто эволюционирует. Она запоминает.
|
|
|
|
История начинается с информационного парадокса черной дыры. Согласно теории относительности, все, что попадает в черную дыру, исчезает навсегда. Согласно квантовой теории, это невозможно. Информация никогда не может быть уничтожена.
|
|
|
|
|
|
|
QMM предлагает выход. Когда вещество попадает внутрь, окружающие ячейки пространства-времени записывают его отпечаток. Когда черная дыра в конечном итоге испаряется, информация не теряется. Она уже записана в память пространства-времени.
|
|
|
|
Этот механизм математически описывается тем, что мы называем оператором импринта, обратимым правилом, которое обеспечивает сохранение информации. Сначала мы применили это к гравитации. Но затем мы спросили: а как насчет других сил природы? Оказывается, они соответствуют той же картине.
|
|
|
|
В наших моделях, предполагающих существование ячеек пространства-времени, сильные и слабые ядерные взаимодействия, которые удерживают атомные ядра вместе, также оставляют следы в пространстве-времени. Позже мы расширили рамки исследования, включив в него электромагнетизм (хотя в настоящее время эта статья проходит экспертную оценку). Даже простое электрическое поле изменяет состояние памяти ячеек пространства-времени.
|
|
Объяснение темной материи и темной энергии
|
|
|
|
Это привело нас к более широкому принципу, который мы называем дуализмом геометрии и информации. С этой точки 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, например, две частицы могут быть причудливо связаны, а это означает, что если вы измените состояние одной из них, вы автоматически и немедленно измените и состояние другой, даже если она находится на расстоянии световых лет.
|
|
|
|
Этот сдвиг в перспективе имеет драматические последствия. В одном исследовании, которое в настоящее время находится на экспертизе, мы обнаружили, что скопления отпечатков ведут себя точно так же, как темная материя, неизвестное вещество, составляющее большую часть материи во Вселенной. Они группируются под действием силы тяжести и объясняют движение галактик, которые, по—видимому, вращаются с неожиданно высокими скоростями, не нуждаясь в каких—либо экзотических новых частицах.
|
|
|
|
В другой статье мы показали, как может проявляться темная энергия. Когда ячейки пространства-времени насыщены, они не могут записывать новую, независимую информацию. Вместо этого они способствуют накоплению остаточной энергии пространства-времени. Интересно, что этот остаточный вклад имеет ту же математическую форму, что и "космологическая постоянная", или темная энергия, которая заставляет Вселенную расширяться с ускоренной скоростью.
|
|
|
|
Его размер соответствует наблюдаемой темной энергии, которая управляет космическим ускорением. В совокупности эти результаты позволяют предположить, что темная материя и темная энергия могут быть двумя сторонами одной информационной медали.
|
|
|
|
Циклическая вселенная?
|
|
|
|
Но если пространство-время обладает ограниченной памятью, что происходит, когда оно заполняется? Наша последняя космологическая статья, принятая к публикации в журнале космологии и физики астрочастиц, указывает на цикличность Вселенной — она рождается и умирает снова и снова. Каждый цикл расширения и сжатия вносит в бухгалтерскую книгу все больше энтропии — показателя беспорядка. Когда граница достигнута, Вселенная "отскакивает" в новый цикл.
|
|
|
|
Достижение предела означает, что информационная емкость пространства-времени (энтропия) исчерпана. В этот момент сжатие не может продолжаться плавно. Уравнения показывают, что вместо того, чтобы сжиматься до сингулярности, накопленная энтропия приводит к обратному движению, что приводит к новой фазе расширения. Это то, что мы называем "отскоком".
|
|
|
|
Сравнивая модель с данными наблюдений, мы оцениваем, что Вселенная уже прошла через три или четыре цикла расширения и сжатия, и осталось менее десяти. После завершения оставшихся циклов информационная емкость пространства-времени будет полностью насыщена. В этот момент дальнейших скачков не происходит. Вместо этого Вселенная вступила бы в заключительную фазу замедления расширения.
|
|
|
|
Таким образом, истинный "информационный век" космоса составляет около 62 миллиардов лет, а не только 13,8 миллиардов лет нашего текущего расширения.
|
|
|
|
Пока что это может звучать чисто теоретически. Но мы уже тестировали некоторые части QMM на современных квантовых компьютерах. Мы рассматривали кубиты, основные элементы квантовых компьютеров, как крошечные ячейки пространства-времени. Используя протоколы отпечатка и восстановления данных, основанные на уравнениях QMM, мы восстановили исходные квантовые состояния с точностью более 90%.
|
|
|
|
Это показало нам две вещи. Во-первых, оператор импринтинга работает в реальных квантовых системах. Во-вторых, он имеет практические преимущества. Объединив импринтинг с обычными кодами для исправления ошибок, мы значительно сократили количество логических ошибок. Это означает, что QMM может не только объяснить космос, но и помочь нам создавать более совершенные квантовые компьютеры.
|
|
|
|
QMM представляет вселенную и как космический банк памяти, и как квантовый компьютер. Каждое событие, каждая сила, каждая частица оставляют отпечаток, который формирует эволюцию космоса. Это связывает воедино некоторые из самых глубоких загадок физики, от информационного парадокса до темной материи и темной энергии, от космических циклов до стрелы времени.
|
|
|
|
И это достигается способом, который уже можно смоделировать и протестировать в лаборатории. Независимо от того, станет ли QMM последним словом или первым шагом, он открывает поразительную возможность: вселенная может состоять не только из геометрии и энергии. Это также память. И в этой памяти все еще может быть записан каждый момент космической истории.
|
|
|
|
Источник
|
