Por mais de um século, a física foi construída sobre duas grandes teorias. A teoria geral da relatividade de Einstein explica a gravidade como uma curvatura do espaço e do tempo.
Mecânica Quântica governa o mundo de partículas e campos. Ambos são brilhantes em seus respectivos domínios. Mas quando você os junta, surgem contradições – especialmente quando se trata de buracos negros, matéria escura, energia escura e a origem do cosmos.
Meus colegas e eu investigamos um uma nova maneira de colmatar esta divisão. A ideia é ver a informação – não a matéria, nem a energia, nem mesmo o próprio espaço-tempo – como o ingrediente mais fundamental da realidade. Chamamos essa estrutura matriz de memória quântica (QMM).
Baseia-se numa afirmação simples mas poderosa: o espaço-tempo não é suave, mas discreto – consiste em minúsculas “células”, que é o que sugere a mecânica quântica. Cada célula pode armazenar uma impressão quântica de cada interação, como a passagem de uma partícula ou mesmo os efeitos de uma força como o eletromagnetismo ou interações nucleares que passam. Cada evento deixa para trás uma pequena mudança no estado quântico local da célula do espaço-tempo.
Em outras palavras, o universo não está apenas evoluindo. Isso lembra.
A história começa com o paradoxo da informação do buraco negro. De acordo com a teoria da relatividade, tudo o que cai num buraco negro desaparece para sempre. De acordo com a teoria quântica, isso é impossível. Informação nunca pode ser destruído.
QMM oferece uma saída. Quando a matéria atinge, as células circundantes do espaço-tempo registram sua marca. Quando o buraco negro eventualmente evapora, nenhuma informação é perdida. Já está escrito na memória do espaço-tempo.
Esse mecanismo é capturado matematicamente pelo que chamamos de operador de impressão, uma regra reversível que garante a preservação da informação. primeiro, nós aplicamos isso à gravidade. Mas então perguntamos: e as outras forças da natureza? Acontece que eles se encaixam na mesma imagem.
Nos nossos modelos, que assumem que existem células no espaço-tempo, as forças nucleares fortes e fracas que mantêm os núcleos atómicos unidos, também deixam rastros no espaço-tempo. Mais tarde nós estendeu o escopo ao eletromagnetismo (embora este trabalho esteja atualmente sob revisão por pares). Mesmo um simples campo elétrico altera o estado da memória das células do espaço-tempo.
Explicando a matéria escura e a energia escura
Isso nos levou a um princípio mais amplo que chamamos dualidade geométrico-informacional. Nesta perspectiva, a forma do espaço-tempo é afetada não apenas pela massa e pela energia, como Einstein nos ensinou, mas também pela forma como a informação quântica é distribuída, especialmente através do emaranhamento. O emaranhamento é uma característica quântica onde, por exemplo, duas partículas podem estar estranhamente unidas, o que significa que se você alterar o estado de uma, você automaticamente e imediatamente mudará a outra também – mesmo que esteja a anos-luz de distância.
Esta mudança de perspectiva tem consequências dramáticas. Num estudo, que está atualmente sob revisão por pares, descobrimos que aglomerados de impressões comportar-se como matéria escurauma substância desconhecida que constitui a maior parte da matéria do universo. Eles se aglomeram sob a influência da gravidade e explicam o movimento das galáxias que parecem girar a velocidades inesperadamente altas, sem a necessidade de novas partículas exóticas.
Em outro mostramos como energia escura também pode aparecer. Quando as células do espaço-tempo estão cheias, elas não podem registrar novas informações independentes. Em vez disso, contribuem para a energia residual do espaço-tempo. Curiosamente, esta contribuição residual tem a mesma forma matemática que a “constante cosmológica”, ou energia escura que faz com que o Universo se expanda a um ritmo acelerado.
Seu tamanho é consistente com a energia escura observada que impulsiona a aceleração cósmica. Juntos, esses resultados sugerem que a matéria escura e a energia escura podem ser as duas faces da mesma moeda de informação.
Um universo cíclico?
Mas se o espaço-tempo tem memória limitada, o que acontece quando ele fica cheio? Nosso último artigo sobre cosmologia, aceito para publicação no The Journal of Cosmology and Astroarticle Physics, indica um universo cíclico – nascer e morrer de novo e de novo. Cada ciclo de expansão e contração deposita mais entropia, uma medida de desordem, no livro-razão. Quando o limite é atingido, o universo “salta” para um novo ciclo.
Atingir o limite significa que a capacidade de informação do espaço-tempo (entropia) foi ultrapassada. Neste ponto, a redução não pode prosseguir sem problemas. As equações mostram que em vez de colapsar para uma singularidade, a entropia conservada leva a uma reversão, levando a uma nova fase de expansão. Isso é o que descrevemos como “rebote”.
Comparando o modelo com os dados observacionais, acreditamos que o universo já passou por três ou quatro ciclos de expansão e contração, faltando menos de dez ciclos. Após a conclusão dos ciclos restantes, a capacidade de informação do espaço-tempo estará completamente saturada. Neste ponto, não ocorrem mais saltos. Em vez disso, o universo entrará na sua fase final de desaceleração.
Isto faz com que a verdadeira “era da informação” do cosmos tenha cerca de 62 mil milhões de anos, e não apenas os 13,8 mil milhões de anos da nossa expansão actual.
Por enquanto, isso pode parecer puramente teórico. Mas já testamos partes do QMM em computadores quânticos modernos. Víamos os qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, como pequenas células do espaço-tempo. Usando protocolos de pegada e pesquisa baseados nas equações QMM, recuperamos os estados quânticos originais com uma precisão superior a 90%.
Isso nos mostrou duas coisas. A primeira é que o operador de impressão funciona em sistemas quânticos reais. Em segundo lugar, tem benefícios práticos. Ao combinar a impressão com códigos convencionais de correção de erros, reduzimos significativamente o número de erros lógicos. Isto significa que o QMM pode não apenas explicar o cosmos, mas também nos ajudar a construir computadores quânticos melhores.
QMM transforma o universo em um banco de memória cósmica e um computador quântico. Cada evento, cada força, cada partícula deixa uma marca que molda a evolução do cosmos. Ele conecta alguns dos mistérios mais profundos da física, desde o paradoxo da informação até a matéria escura e a energia escura, desde os ciclos cósmicos até a flecha do tempo.
E isso é feito de uma forma que já pode ser simulada e testada em laboratório. Quer o QMM acabe sendo a última palavra ou um trampolim, ele abre uma possibilidade impressionante: o universo pode consistir em mais do que apenas geometria e energia. Também é uma memória. E nesta memória, cada momento da história cósmica ainda pode ser registrado.
