Novo buraco negro encontrado - O Universo Pode Ter Memória – e Ele Guarda Cada Momento da História Cósmica

Por mais de um século, a física foi construída sobre duas grandes teorias. A relatividade geral de Einstein explica a gravidade como a curvatura do espaço e do tempo.

Dark Energy Survey no Chile

A mecânica quântica rege o mundo das partículas e dos campos. Ambos funcionam brilhantemente em seus próprios domínios. Mas, quando combinados, surgem contradições especialmente quando se trata de buracos negros, matéria escura, energia escura e as origens do cosmos.

Meus colegas e eu temos explorado uma nova maneira de transpor essa barreira . A ideia é tratar a informação e não a matéria, nem a energia, nem mesmo o próprio espaço-tempo, como o ingrediente mais fundamental da realidade. Chamamos essa estrutura de matriz de memória quântica (MMQ).

Em sua essência, há uma afirmação simples, porém poderosa: o espaço-tempo não é suave, mas discreto e feito de minúsculas "células", como sugere a mecânica quântica. Cada célula pode armazenar uma impressão quântica de cada interação, como a passagem de uma partícula ou mesmo a influência de uma força, como o eletromagnetismo ou interações nucleares, que a atravessa. Cada evento deixa para trás uma pequena mudança no estado quântico local da célula do espaço-tempo.

Em outras palavras, o universo não apenas evolui. Ele se lembra.

A história começa com o paradoxo da informação do buraco negro. Segundo a relatividade, tudo o que cai em um buraco negro desaparece para sempre. Segundo a teoria quântica, isso é impossível. A informação nunca pode ser destruída.

O QMM oferece uma saída. À medida que a matéria entra, as células do espaço-tempo circundantes registram sua marca. Quando o buraco negro eventualmente evapora, a informação não se perde. Ela já está gravada na memória do espaço-tempo.

Esse mecanismo é capturado matematicamente pelo que chamamos de operador de impressão, uma regra reversível que faz a conservação da informação funcionar. Inicialmente, aplicamos isso à gravidade . Mas então nos perguntamos: e as outras forças da natureza? Acontece que elas se encaixam no mesmo quadro.

Em nossos modelos, que pressupõem a existência de células do espaço-tempo, as forças nucleares forte e fraca, que mantêm os núcleos atômicos unidos, também deixam rastros no espaço-tempo. Posteriormente, estendemos a estrutura ao eletromagnetismo (embora este artigo esteja atualmente em revisão por pares). Até mesmo um simples campo elétrico altera o estado de memória das células do espaço-tempo.

Explicando a matéria escura e a energia escura

Isso nos levou a um princípio mais amplo que chamamos de dualidade geometria-informação. Nessa visão, a forma do espaço-tempo é influenciada não apenas pela massa e energia, como Einstein nos ensinou, mas também pela forma como a informação quântica é distribuída, especialmente por meio do emaranhamento.

O emaranhamento é uma característica quântica na qual duas partículas, por exemplo, podem estar conectadas de forma fantasmagórica, o que significa que, se você alterar o estado de uma, automática e imediatamente também altera a outra, mesmo que ela esteja a anos-luz de distância.

Essa mudança de perspectiva tem consequências dramáticas. Em um estudo, atualmente sob revisão por pares, descobrimos que aglomerados de impressões se comportam exatamente como a matéria escura , uma substância desconhecida que compõe a maior parte da matéria do universo. Eles se aglomeram sob a ação da gravidade e explicam o movimento das galáxias que parecem orbitar a velocidades inesperadamente altas sem a necessidade de novas partículas exóticas.

Em outro, mostramos como a energia escura também pode emergir. Quando as células do espaço-tempo estão saturadas, elas não conseguem registrar informações novas e independentes. Em vez disso, contribuem para uma energia residual do espaço-tempo. Curiosamente, essa contribuição residual tem a mesma forma matemática que a "constante cosmológica", ou energia escura, que faz o universo se expandir a uma taxa acelerada.

Seu tamanho corresponde à energia escura observada que impulsiona a aceleração cósmica. Juntos, esses resultados sugerem que a matéria escura e a energia escura podem ser dois lados da mesma moeda informacional.

Um universo cíclico?

Mas se o espaço-tempo tem memória finita, o que acontece quando ele se enche? Nosso mais recente artigo cosmológico, aceito para publicação no The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, aponta para um universo cíclico nascendo e morrendo repetidamente. 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) está esgotada. Nesse ponto, a contração não pode continuar suavemente. As equações mostram que, em vez de colapsar para uma singularidade, a entropia armazenada provoca uma reversão, levando a uma nova fase de expansão. Isso é o que descrevemos como um "salto" .

Comparando o modelo com dados observacionais, estimamos que o universo já passou por três ou quatro ciclos de expansão e contração, restando menos de dez. Após a conclusão dos ciclos restantes, a capacidade informacional do espaço-tempo estaria totalmente saturada. Nesse ponto, não ocorreriam mais saltos. Em vez disso, o universo entraria em uma fase final de expansão lenta.

Isso faz com que a verdadeira “era informacional” do cosmos seja de cerca de 62 bilhões de anos, não apenas os 13,8 bilhões de anos da nossa expansão atual.

Até agora, isso pode parecer puramente teórico. Mas já testamos partes do QMM nos computadores quânticos atuais. Tratamos qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, como minúsculas células do espaço-tempo. Usando protocolos de impressão e recuperação baseados nas equações do QMM, recuperamos os estados quânticos originais com mais de 90% de precisão.

Isso nos mostrou duas coisas. Primeiro, que o operador de impressão funciona em sistemas quânticos reais. Segundo, ele tem benefícios práticos. Ao combinar a impressão com códigos convencionais de correção de erros, reduzimos significativamente os erros lógicos . Isso significa que a QMM pode não apenas explicar o cosmos, mas também nos ajudar a construir computadores quânticos melhores.

O QMM reformula o universo como 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 enigmas mais profundos da física, do paradoxo da informação à matéria escura e à energia escura, dos ciclos cósmicos à flecha do tempo.

E faz isso de uma forma que já pode ser simulada e testada em laboratório. Seja a QMM a palavra final ou um trampolim, ela abre uma possibilidade surpreendente: o universo pode não ser apenas geometria e energia. É também memória. E nessa memória, cada momento da história cósmica ainda pode ser escrito.

Artigo Original: Theconversation