Physiker schlägt vor: Universum ist im Wesentlichen nur eine riesige Memory-Foam-Matratze

Seit über einem Jahrhundert kommt die Physik ganz gut mit zwei Mitbewohnern aus, die sich weigern, miteinander zu sprechen: der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Einsteins Theorie behandelt die Schwerkraft als Krümmung der Raumzeit, während die Quantenmechanik die Show bei winzigen Teilchen bestimmt. Beide funktionieren in ihren eigenen Bereichen hervorragend, aber versucht man sie zu vereinen, erhält man das intellektuelle Äquivalent eines Bluescreens – besonders in der Nähe von Schwarzen Löchern, Dunkler Materie, Dunkler Energie und der ganzen „Warum sind wir hier“-Frage.

Ein Team unter der Leitung von Florian Neukart von der Universität Leiden hat über eine Möglichkeit gebrütet, diese Kluft zu überbrücken, und ihre Idee ist erfrischend einfach: Behandle Information, nicht Materie oder Energie oder gar die Raumzeit selbst, als die grundlegendste Zutat des Universums. Sie nennen dies die Quantenspeichermatrix (QMM), und sie behauptet, dass die Raumzeit kein glattes Kontinuum ist, sondern ein Gitter aus winzigen Zellen, die jeweils in der Lage sind, einen Quantenabdruck jeder Interaktion zu speichern, die hindurchgeht – ein Teilchen, eine Kraft, die schlechte Laune deines Nachbarn. Mit anderen Worten: Das Universum geschieht nicht einfach; es macht sich Notizen.

Das Ganze entstand aus dem Informationsparadoxon Schwarzer Löcher, das auf Physikisch so viel bedeutet wie „Irgendwas muss nachgeben“. Die Relativitätstheorie sagt, dass alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, für immer verschwunden ist; die Quantenmechanik sagt, dass Information niemals zerstört werden kann. Die Lösung der QMM: Wenn Materie hineinfällt, zeichnen die umgebenden Raumzeit-Zellen ihren Abdruck auf. Wenn das Schwarze Loch schließlich verdampft, war die Information bereits gesichert – wie eine kosmische Cloud-Speicherung, die älter ist als die Cloud.

Das Team formalisierte dies mit etwas, das sie den Abdruck-Operator nennen, eine reversible Regel, die die Informationserhaltung zum Funktionieren bringt. Sie begannen mit der Gravitation, dann erkannten sie, dass auch die starke und die schwache Kernkraft Spuren in der Raumzeit hinterlassen. Sie haben es sogar auf den Elektromagnetismus ausgedehnt (Artikel derzeit im Peer-Review – also inoffiziell offiziell). Ein einfaches elektrisches Feld, so stellt sich heraus, verändert den Speicherzustand von Raumzeit-Zellen. Dies führte sie zu einem breiteren Prinzip, das sie Geometrie-Informations-Dualität nennen: Die Form der Raumzeit wird nicht nur von Masse und Energie beeinflusst, wie Einstein lehrte, sondern auch davon, wie Quanteninformation verteilt ist, insbesondere durch Verschränkung – diese spukhafte Verbindung, bei der zwei Teilchen über Lichtjahre hinweg miteinander verbunden sein können.

Diese Verschiebung hat dramatische Konsequenzen. In einer Studie (ebenfalls im Peer-Review) verhalten sich Ansammlungen von Abdrücken genau wie Dunkle Materie – sie klumpen unter Gravitation und erklären, warum Galaxien mit unerwartet hohen Geschwindigkeiten umkreisen, ohne exotische neue Teilchen zu benötigen. In einem anderen Artikel zeigten sie, wie Dunkle Energie entstehen könnte: Wenn Raumzeit-Zellen gesättigt sind – stell sie dir als volle Festplatten vor – können sie keine neuen Informationen aufzeichnen, also tragen sie eine Restenergie bei, die dieselbe mathematische Form hat wie die kosmologische Konstante. Die Größe passt zur beobachteten Dunklen Energie, was darauf hindeutet, dass Dunkle Materie und Dunkle Energie zwei Seiten derselben Informationsmünze sind. Ordentlich.

Aber was passiert, wenn der Speicher der Raumzeit vollständig gefüllt ist? Ihr neuestes Papier, das zur Veröffentlichung im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics angenommen wurde, deutet auf ein zyklisches Universum hin, das eher abprallt als zu einer Singularität zu kollabieren. Jeder Zyklus von Expansion und Kontraktion lagert mehr Entropie in das Hauptbuch ein; wenn die Grenze erreicht ist, treibt die gespeicherte Entropie eine Umkehrung an – einen Abprall – der zu einer neuen Expansionsphase führt. Das Modell legt nahe, dass das Universum bereits drei oder vier Zyklen durchlaufen hat, mit weniger als zehn verbleibenden. Danach ist die Informationskapazität der Raumzeit vollständig gesättigt, und das Universum tritt in eine letzte Phase der verlangsamten Expansion ein. Dies setzt das wahre „Informationszeitalter“ des Kosmos auf etwa 62 Milliarden Jahre, nicht auf die 13,8 Milliarden unserer aktuellen Expansion.

Klingt nach reiner Theorie? Sie haben Teile der QMM bereits auf heutigen Quantencomputern getestet, wobei Qubits als winzige Raumzeit-Zellen behandelt wurden. Mit Abdruck- und Abrufprotokollen, die auf den QMM-Gleichungen basieren, stellten sie die ursprünglichen Quantenzustände mit über 90% Genauigkeit wieder her.