La memoria cosmica potrebbe spiegare la materia oscura, l’energia oscura e i buchi neri

La meccanica quantistica governa il mondo delle particelle e dei campi. Entrambe funzionano in modo eccellente nei rispettivi ambiti. Ma se le si combinano, emergono delle contraddizioni, soprattutto quando si parla di buchi neri, materia oscura, energia oscura e origini del cosmo.

Io e i miei colleghi stiamo esplorando un nuovo modo per colmare questo divario . L’idea è di trattare l’informazione – non la materia, non l’energia, nemmeno lo spaziotempo stesso – come l’ingrediente più fondamentale della realtà. Chiamiamo questo quadro concettuale matrice di memoria quantistica (QMM).

Alla base di tutto c’è un’affermazione semplice ma potente: lo spaziotempo non è uniforme, bensì discreto, costituito da minuscole “celle”, come suggerisce la meccanica quantistica. Ogni cella può immagazzinare un’impronta quantistica di ogni interazione che la attraversa, come il passaggio di una particella o persino l’influenza di una forza come l’elettromagnetismo o le interazioni nucleari. Ogni evento lascia dietro di sé una minuscola variazione nello stato quantistico locale della cella spaziotemporale.

In altre parole, l’universo non si limita ad evolversi. Ha memoria.

La storia inizia con il paradosso dell’informazione del buco nero. Secondo la relatività, tutto ciò che cade in un buco nero scompare per sempre. Secondo la teoria quantistica, questo è impossibile. L’informazione non può mai essere distrutta .

QMM offre una via d’uscita. Man mano che la materia precipita, le celle spazio-temporali circostanti ne registrano l’impronta. Quando il buco nero alla fine evapora, l’informazione non va persa. È già stata scritta nella memoria dello spazio-tempo.

Questo meccanismo è descritto matematicamente da quello che chiamiamo operatore di impronta, una regola reversibile che garantisce la conservazione dell’informazione. Inizialmente, lo abbiamo applicato alla gravità . Ma poi ci siamo chiesti: e le altre forze della natura? Si è scoperto che si adattano allo stesso schema.

Nei nostri modelli, che presuppongono l’esistenza di celle spazio-temporali, le forze nucleari forte e debole, che tengono uniti i nuclei atomici, lasciano anch’esse tracce nello spazio-tempo . In seguito, abbiamo esteso il quadro teorico all’elettromagnetismo (sebbene questo articolo sia attualmente in fase di revisione paritaria). Persino un semplice campo elettrico modifica lo stato di memoria delle celle spazio-temporali.

Spiegazione della materia oscura e dell’energia oscura

Questo ci ha condotto a un principio più ampio che chiamiamo dualismo geometria-informazione . In questa prospettiva, la forma dello spaziotempo è influenzata non solo dalla massa e dall’energia, come ci ha insegnato Einstein, ma anche da come viene distribuita l’informazione quantistica, in particolare attraverso l’entanglement. L’entanglement è una caratteristica quantistica per cui due particelle, ad esempio, possono essere connesse in modo “spettrale”, il che significa che se si modifica lo stato di una, si modifica automaticamente e immediatamente anche quello dell’altra, anche se si trova a distanza di anni luce.

Questo cambio di prospettiva ha conseguenze dirompenti. In uno studio, attualmente in fase di revisione paritaria, abbiamo scoperto che gli ammassi di impronte si comportano esattamente come la materia oscura , una sostanza sconosciuta che costituisce la maggior parte della materia nell’universo. Si aggregano sotto l’effetto della gravità e spiegano il moto delle galassie – che sembrano orbitare a velocità inaspettatamente elevate – senza bisogno di nuove particelle esotiche.

In un altro studio, abbiamo mostrato come potrebbe emergere anche l’energia oscura . Quando le celle dello spaziotempo sono sature, non possono registrare nuove informazioni indipendenti. Contribuiscono invece a un’energia residua dello spaziotempo. È interessante notare che questo contributo residuo ha la stessa forma matematica della “costante cosmologica”, o energia oscura, che sta causando un’espansione accelerata dell’universo.

Le sue dimensioni corrispondono all’energia oscura osservata che alimenta l’accelerazione cosmica. Insieme, questi risultati suggeriscono che la materia oscura e l’energia oscura potrebbero essere due facce della stessa medaglia informativa.

Un universo ciclico?

Ma se lo spaziotempo ha una memoria finita, cosa succede quando si riempie? Il nostro ultimo articolo di cosmologia, accettato per la pubblicazione sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, indica un universo ciclico , che nasce e muore ripetutamente. Ogni ciclo di espansione e contrazione deposita ulteriore entropia – una misura del disordine – nel registro. Quando si raggiunge il limite, l’universo “rimbalza” in un nuovo ciclo.

Raggiungere il limite significa che la capacità informativa dello spaziotempo (entropia) è satura. A quel punto, la contrazione non può proseguire in modo continuo. Le equazioni mostrano che, invece di collassare verso una singolarità, l’entropia immagazzinata innesca un’inversione, dando inizio a una nuova fase di espansione. Questo è ciò che definiamo “rimbalzo” .

Confrontando il modello con i dati osservativi, stimiamo che l’universo abbia già attraversato tre o quattro cicli di espansione e contrazione, con meno di dieci cicli rimanenti. Una volta completati i cicli rimanenti, la capacità informativa dello spaziotempo sarebbe completamente satura. A quel punto, non si verificherebbero ulteriori rimbalzi. L’universo entrerebbe invece in una fase finale di espansione rallentata.

Ciò significa che la vera “era dell’informazione” del cosmo è di circa 62 miliardi di anni, e non solo dei 13,8 miliardi di anni della nostra attuale espansione.

Fin qui, potrebbe sembrare puramente teorico. Ma abbiamo già testato parti del QMM sui computer quantistici odierni. Abbiamo trattato i qubit, le unità di base dei computer quantistici, come minuscole celle spazio-temporali. Utilizzando protocolli di impronta e recupero basati sulle equazioni del QMM, abbiamo recuperato gli stati quantistici originali con una precisione superiore al 90%.

Questo ci ha dimostrato due cose. Primo, che l’operatore di impronta funziona su sistemi quantistici reali. Secondo, che offre vantaggi pratici. Combinando l’impronta con i codici di correzione degli errori convenzionali, abbiamo ridotto significativamente gli errori logici . Ciò significa che QMM potrebbe non solo spiegare il cosmo, ma anche aiutarci a costruire computer quantistici migliori.

QMM ridefinisce l’universo sia come una banca dati cosmica che come un computer quantistico. Ogni evento, ogni forza, ogni particella lascia un’impronta che plasma l’evoluzione del cosmo. Collega alcuni dei più profondi enigmi della fisica, dal paradosso dell’informazione alla materia oscura e all’energia oscura, dai cicli cosmici alla freccia del tempo.

E lo fa in un modo che può già essere simulato e testato in laboratorio. Che la QMM si riveli la parola definitiva o un trampolino di lancio, apre una possibilità sorprendente: l’universo potrebbe non essere fatto solo di geometria ed energia. Potrebbe essere anche memoria. E in quella memoria, ogni istante della storia cosmica potrebbe essere ancora scritto.