Всесвіт може бути циклічним "квантовим комп'ютером": це пояснює головні таємниці фізики

Понад 100 років фізика будувалася на двох на двох фундаментальних теоріях. Загальна теорія відносності Ейнштейна пояснює гравітацію викривленням простору і часу. Квантова механіка пояснює світ частинок і полів. Кожна теорія добре працює у своїй царині застосування, але якщо їх об'єднати, то виникають протиріччя, особливо коли йдеться про чорні діри, темну матерію, темну енергію та походження космосу. Фізики з Лейденського університету (Нідерланди) вважають, що можна прибрати ці протиріччя. Для цього потрібно розглядати інформацію, а не матерію та енергію, і навіть не сам простір-час як основоположний компонент реальності. Ця модель називається матрицею квантової пам'яті (МКП), пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Матриця квантової пам'яті

В основі моделі МКП лежить твердження, що простір-час не є гладким, а дискретним, тобто таким, що складається з розрізнених частин, у цьому разі він складається з найдрібніших "осередків", що й передбачає квантова механіка. Кожна комірка може зберігати квантовий відбиток кожної взаємодії, наприклад, проходження частинки або навіть впливу головних сил природи, таких як електромагнітна, а також сильна і слабка взаємодія. Кожна подія залишає після себе крихітну зміну в локальному квантовому стані комірки простору-часу. Іншими словами, Всесвіт не просто еволюціонує, а він запам'ятовує все, що відбувається.

Історія починається з інформаційного парадоксу чорної діри. Згідно із загальною теорією відносності Ейнштейна, все, що потрапляє в чорну діру, зникає назавжди. Згідно з квантовою теорією, це неможливо. Інформація ніколи не може бути знищена.

МКП пропонує рішення. Коли матерія падає в чорну діру, навколишні осередки простору-часу зберігають її відбиток. Коли чорна діра в кінцевому підсумку випаровується, інформація не втрачається. Вона вже записана в пам'ять простору-часу. Цей механізм математично описується так званим оператором відбитка, правилом, яке забезпечує збереження інформації.

Моделі фізиків, які припускають існування осередків простору-часу, сильні та слабкі взаємодії, що утримують атомні ядра разом, також залишають сліди в просторі-часі. Це ж стосується й електромагнітної взаємодії. Навіть просте електричне поле змінює стан пам'яті осередків простору-часу.

Пояснення темної матерії і темної енергії

Фізики дійшли висновку, що на форму простору-часу впливають не тільки маса й енергія, згідно з теорією відносності Ейнштейна, а й розподіл квантової інформації, особливо за допомогою квантової заплутаності. Це явище, за якого дві частинки можуть перебувати на відстані багатьох світлових років одна від одної, але при цьому бути пов'язаними. Якщо змінити стан однієї частинки, то автоматично і негайно зміниться стан іншої частинки.

Вчені виявили, що згустки відбитків поводяться подібно до темної матерії, тобто невидимої субстанції, що становить більшу частину матерії у Всесвіті. Вони групуються під дією гравітації і пояснюють рух галактик, які обертаються з несподівано високими швидкостями, без необхідності існування темної матерії.

Також фізики з'ясували, як може виникати темна енергія, що прискорює розширення Всесвіту. Коли комірки простору-часу заповнені, вони не можуть реєструвати нову інформацію. Замість цього вони роблять внесок у залишкову енергію простору-часу. Цей внесок має ту саму математичну форму, що й космологічна постійна, або темна енергія, кажуть учені.

У сукупності ці результати припускають, що темна матерія і темна енергія можуть бути двома сторонами однієї інформаційної медалі.

Всесвіт може бути циклічним

Якщо простір-час має кінцеву пам'ять, що відбувається, коли він заповнюється? Фізики вважають, що Всесвіт може бути циклічним, тобто його народження і смерть відбуваються знову і знову. Кожен цикл розширення і стиснення космосу додає до реєстру більше ентропії, тобто заходів безладу. При досягненні межі інформаційної ємності простору-часу ентропія досягає своєї межі. Рівняння показують, що замість того, щоб Всесвіт стиснувся назад у точку сингулярності, накопичена ентропія спричиняє зворотний процес, що призводить до нової фази розширення.

Модель учених, яку вони порівняли з даними реальних спостережень, показує, що Всесвіт уже пройшов три або чотири цикли розширення і стиснення, і залишилося менше десяти таких циклів. Після завершення циклів, що залишилися, інформаційна ємність простору-часу буде повністю заповнена, і Всесвіт вступить у фінальну фазу уповільненого розширення. Це означає, що справжній "інформаційний вік" космосу становить приблизно 62 мільярди років, а не тільки 13,8 мільярда років поточного розширення з моменту Великого вибуху.

Всесвіт схожий на квантовий комп'ютер

За словами фізиків, модель МКП розглядає Всесвіт одночасно як банк космічної пам'яті та квантовий комп'ютер. Кожна подія, кожна сила, кожна частинка залишає слід, який формує еволюцію космосу. Він пов'язує воєдино деякі з найглибших загадок фізики: від інформаційного парадоксу чорної діри до темної матерії і темної енергії, від космічних циклів до осі часу. Тож Всесвіт бути величезною пам'яттю і в ньому може бути записаний кожен момент космічної історії.

Як уже писав Фокус, загадка найшвидших вітрів у Сонячній системі вирішена. Вчені створили нову єдину модель, яка пояснює чому вітри на Юпітері спрямовані на схід, а вітри на Нептуні — на захід.