انفجار بزرگ پایان داستان نبود گیتی بخاطر می سپارد

بیش از یک قرن است که فیزیک بر پایه دو نظریه اصلی بنا شده است. از یک سو، نظریه نسبیت عام اینشتین قرار دارد که گرانش را به‌صورت خمیدگی فضا–زمان توصیف می‌کند و از سوی دیگر، مکانیک کوانتومی که رفتار ذرات بنیادی و میدان‌ها را توضیح می‌دهد. هر یک از این نظریه‌ها در حوزه خود بسیار موفق بوده‌اند، اما زمانی که تلاش می‌کنیم آن‌ها را در کنار هم قرار دهیم، اختلاف‌ها آشکار می‌شوند؛ به‌ویژه در مسائلی مانند سیاه‌چاله‌ها، ماده تاریک، انرژی تاریک و منشا گیتی.

فلوریان نوکارت (Florian Neukart) از دانشگاه لیدن (Leiden University) در تلاش هستند راهی برای حل ناسازگاری‌های میان نسبیت عام و مکانیک کوانتومی پیدا کنند. ایده اصلی این گروه این است که اطلاعات را بنیادی‌ترین جز واقعیت در نظر بگیرند و آن را نه انرژی، نه ماده و نه حتی خود فضا–زمان فرض کنند. این چارچوب نظری ماتریس حافظه‌ کوانتومی (Quantum Memory Matrix یا به اختصار QMM) نامیده می‌شود.

این ایده در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد، اما ادعای بسیار عمیقی دارد. فرض بنیادی این است که فضا–زمان هموار، پیوسته و یکپارچه نیست، بلکه از سلول‌های بسیار کوچک و گسسته تشکیل شده است. هر یک از این سلول‌ها می‌توانند اثر هر رخداد را در خود ثبت کنند. از مسیر حرکت یک ذره گرفته تا تاثیر نیروهایی مانند نیروی الکترومغناطیسی یا واکنش‌های هسته‌ای. یعنی هر رویداد فیزیکی، حتی در مقیاسی بسیار کوچک، اثری در حالت کوانتومی سلول‌های فضا–زمان اطراف خود ایجاد می‌کند.

جهان فقط تحول پیدا نمی‌کند؛ بلکه می‌توان گفت که جهان به خاطر می‌سپارد.

نقطه آغاز این ایده،تناقض اطلاعات سیاه‌چاله است. بر اساس نسبیت عام، هر چیزی که به درون سیاه‌چاله سقوط کند، برای همیشه از دست می‌رود، اما طبق مکانیک کوانتومی، نابودی کامل اطلاعات غیرممکن است. این تناقض یکی از عمیق‌ترین مسائل حل‌نشده فیزیک به شمار می‌آید. چارچوب QMM راه متفاوتی پیشنهاد می‌دهد. هنگامی که ماده‌ای به درون سیاه‌چاله فرو می‌ریزد، سلول‌های فضا–زمان اطراف اثر اطلاعاتی آن را ثبت می‌کنند. سپس، زمانی که سیاه‌چاله در نهایت تبخیر می‌شود، اطلاعات نابود نشده‌اند؛ زیرا پیش‌تر در حافظه فضا–زمان نوشته شده‌اند.

این سازوکار با استفاده از یک ساختار ریاضی به نام عملگر اثرگذاری (Imprint Operator) فرمول‌بندی شده است. این عملگر برگشت‌پذیر است و پایستگی اطلاعات را تضمین می‌کند. در ابتدا، این چارچوب را برای گرانش به کار بردیم، اما سپس این پرسش مطرح شد که آیا سایر نیروها می‌توانند در این چارچوب ریاضی جای بگیرند یا خیر. نتایج نشان داد که این رویکرد با سایر نیروها نیز سازگار است.

در این مدل، فرض می‌شود که سلول‌های فضا–زمان وجود دارند و حتی نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف نیز اثر خود را در این سلول‌ها به جا می‌گذارند. اخیرا این چارچوب به نیروی الکترومغناطیسی نیز تعمیم داده شده است و مقاله مربوط به آن در حال داوری علمی است. در چارچوب الکترومغناطیسی این مدل، حتی یک میدان الکتریکی ضعیف می‌تواند حافظه سلول‌های فضا–زمان را تغییر دهد.

توضیح ماده تاریک و انرژی تاریک در مدل ماتریس حافظه‌ کوانتومی

این مسیر فکری، ما را به یک اصل کلی‌تر رساند که آن را دوگانگی هندسه–اطلاعات می‌نامیم. در این دیدگاه، شکل فضا–زمان نه‌تنها به جرم و انرژی وابسته است، بلکه به نحوه توزیع اطلاعات کوانتومی نیز بستگی دارد؛ به‌ویژه از طریق پدیده درهم‌تنیدگی کوانتومی. درهم‌تنیدگی به این معناست که دو ذره می‌توانند به‌گونه‌ای رازآلود به هم مرتبط باشند که تغییر حالت یکی، بلافاصله باعث تغییر حالت دیگری شود، حتی اگر فاصله‌ای به اندازهٔ سال‌های نوری میان آن دو ذره وجود داشته باشد.

 این تغییر پنداشت پیامدهای جالبی دارد. در یکی از مطالعات ما که هم‌اکنون تحت داوری قرار دارد، نشان داده‌ایم که تجمع اثرهای اطلاعاتی می‌تواند رفتاری شبیه ماده تاریک ایجاد کند. این اطلاعات تحت نیروی گرانش خوشه‌های اطلاعات را شکل می‌دهند و می‌توانند حرکت کهکشان‌ها را توضیح دهند؛ حرکت کهکشان‌ها براساس داده‌های رصدی سریع‌تر از پیش‌بینی مدل‌های کیهان‌شناسی است، این مدل حرکت کهکشان‌ها را سریع‌تر پیش‌بینی می‌کند، بدون آنکه نیازی به فرض وجود ذرات ناشناخته ماده تاریک باشد.

در مطالعه‌ای دیگر نشان داده‌ایم که انرژی تاریک نیز می‌تواند منشا اطلاعاتی داشته باشد. هنگامی که سلول‌های فضا–زمان به حد اشباع اطلاعاتی می‌رسند و لبریز از اثر اطلاعات می‌شوند، دیگر قادر به ثبت اطلاعات مستقل جدید نیستند. این اطلاعات به شکل انرژی در فضا–زمان منجر می‌شود. جالب اینجاست که این انرژی باقیمانده، از نظر ریاضی همان شکلی را دارد که برای انرژی تاریک مشاهده می‌کنیم و می‌تواند شتاب انبساط کیهان را توضیح دهد. همین‌طور اندازه‌ آن منطبق بر انرژي‌تاریک است. از این منظر، ماده تاریک و انرژی تاریک می‌توانند دو روی یک سکه اطلاعاتی باشند.

آیا گیتی چرخه‌ دارد؟

اگر حافظه فضا–زمان ظرفیت محدودی داشته باشد، این پرسش مطرح می‌شود که پس از پر شدن آن چه رخ می‌دهد؟ جدیدترین مقاله که برای انتشار در ژورنال کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات اخترشناسی (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics) پذیرفته شده است، به مدلی از جهان چرخه‌ای اشاره می‌کند. در این مدل، جهان بارها وارد فاز انبساط و انقباض می‌شود و هر چرخه آنتروپی بیشتری به جا می‌گذارد. آنتروپی معیاری از بی‌نظمی اطلاعات است. وقتی حد بیشینه انتروپی حاصل می‌شود، انقباض دیگر نمی‌تواند به‌صورت هموار ادامه یابد.

معادلات نشان می‌دهند که به‌جای فروپاشی به صورت یک تکینگی ـ تکینگی به وضعیتی گفته می‌شود که در آن قوانین شناخته‌شده فیزیک دیگر قادر به توصیف دقیق پدیده‌ها نیستند. به بیان ساده، تکینگی نقطه یا حالتی است که در آن برخی کمیت‌های فیزیکی مانند چگالی یا انحنای فضا–زمان به‌طور غیرعادی بسیار بزرگ (یا حتی بی‌نهایت) می‌شوند و محاسبات معمول از کار می‌افتند ـ آنتروپی ذخیره‌شده باعث یک روند بازگشت‌پذیر و آغاز یک فاز انبساط جدید می‌شود؛ پدیده‌ای که آن را جهش (Bounce) می‌نامیم.

با مقایسه‌ مدل با داده‌های رصدی، نتیجه می‌گیریم که جهان تاکنون حدود سه تا چهار چرخه‌ انبساط و انقباض را پشت سر گذاشته است و کمتر از ده چرخه‌ دیگر باقی مانده است. پس از تکمیل این چرخه‌های باقی‌مانده، ظرفیت اطلاعاتی فضا–زمان به حالت اشباع می‌رسد و در نتیجه جهش‌های بعدیرخ نخواهند داد. در این مرحله، تحول کیهانی وارد فاز نهایی خود می‌شود که با انبساطی مداوم اما به‌تدریج کندشونده مشخص می‌گردد. بر اساس این مدل، سن اطلاعاتی کیهان حدود ۶۲ میلیارد سال برآورد می‌شود، نه صرفا ۱۳٫۸ میلیارد سال مربوط مدل‌های انبساط کنونی است.

اگرچه که این چارچوب در نگاه اول کاملا نظری به نظر می‌رسد، اما بخش‌هایی از QMM تاکنون روی رایانه‌های کوانتومی امروزی آزمایش شده‌اند. در این آزمایش‌ها، هر کیوبیت به‌عنوان یک سلول بنیادی کوچک فضا–زمان در نظر گرفته شد و با استفاده عملگر اثرگذاری و پروتکل‌های برگشت‌پذیری معادله های QMM، حالت‌های کوانتومی اولیه با دقتی بیش از ۹۰ درصد بازسازی شدند.

این نتایج نشان می‌دهد که عملگر اثرگذاری در سامانه‌های کوانتومی واقعی کار می‌کند و در عین حال کاربرد عملی در دنیای واقعی نیز دارد. ترکیب این روش با کدهای مرسوم تصحیح خطای کوانتومی می‌تواند خطاهای منطقی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. این یعنی اینکه QMM نه تنها به سوال‌های بزرگ در مورد گیتی پاسخ خواهد داد بلکه به ما کمک خواهد کرد که یارانه‌های کوانتومی بهتری بسازیم.

در مجموع، این چارچوب جهان را هم‌زمان به‌عنوان یک بانک حافظه کیهانی و یک سامانه محاسباتی کوانتومی توصیف می‌کند. هر رویداد، هر نیرو و هر ذره اثری بر جای می‌گذارد که مسیر تحول کیهان را شکل می‌دهد. این مدل به شکلی منسجم، برخی از عمیق‌ترین و بنیادین‌ترین معماهای فیزیک را به هم گره می‌زند؛ از پارادوکس اطلاعات گرفته تا ماده تاریک و انرژی تاریک، و از چرخه‌های کیهانی تا جهت بردار زمان.

و این مدل کار را به شیوه‌ای انجام می‌ دهد که هم‌اکنون نیز می‌توان آن را شبیه‌سازی کرد و در آزمایشگاه مورد آزمون قرار داد. چه ماتریس حافظه کوانتومی (QMM) داستان نهایی باشد و چه گامی میانی در مسیر فهم عمیق‌تر گیتی، یک امکان شگفت‌انگیز را پیش روی ما می‌گشاید: جهان شاید تنها از هندسه و انرژی تشکیل نشده باشد؛ بلکه حافظه نیز بخشی از ذات آن است. و در دل این حافظه، ممکن است هر لحظه از تاریخ کیهانی همچنان ثبت و نوشته شود.