Al meer dan een eeuw redt de natuurkunde zich prima met twee huisgenoten die weigeren met elkaar te praten: de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Einsteins theorie behandelt zwaartekracht als het krommen van de ruimtetijd, terwijl de kwantummechanica de dienst uitmaakt op kleine deeltjes. Beide werken prima in hun eigen straatje, maar probeer ze te combineren en je krijgt het intellectuele equivalent van een blauw scherm des doods - vooral rond zwarte gaten, donkere materie, donkere energie, en de hele 'waarom zijn we hier'-kwestie.
Een team onder leiding van Florian Neukart van de Universiteit Leiden heeft zitten broeden op een manier om die kloof te overbruggen, en hun idee is verfrissend simpel: behandel informatie, niet materie of energie of zelfs de ruimtetijd zelf, als het meest fundamentele ingrediënt van het heelal. Ze noemen dit de kwantumgeheugenmatrix (QMM), en het beweert dat de ruimtetijd geen vloeiend continuüm is, maar een raster van kleine cellen, die elk een kwantumafdruk kunnen opslaan van elke interactie die erdoorheen gaat - een deeltje, een kracht, de slechte vibes van je buurman. Met andere woorden, het heelal gebeurt niet zomaar; het maakt aantekeningen.
Het hele ding is ontstaan uit de zwarte-gatinformatieparadox, wat natuurkundig is voor 'er moet iets geven'. De relativiteitstheorie zegt dat alles wat in een zwart gat valt voor altijd verdwenen is; de kwantummechanica zegt dat informatie nooit vernietigd kan worden. QMM's oplossing: als materie erin valt, registreren omliggende ruimtetijdcellen de afdruk ervan. Wanneer het zwarte gat uiteindelijk verdampt, was de informatie al geback-upt - als een kosmische cloudopslag die ouder is dan de cloud.
Het team formaliseerde dit met iets dat de afdrukoperator wordt genoemd, een omkeerbare regel die ervoor zorgt dat informatiebehoud werkt. Ze begonnen met zwaartekracht, en realiseerden zich toen dat ook de sterke en zwakke kernkrachten sporen achterlaten in de ruimtetijd. Ze hebben het zelfs uitgebreid naar elektromagnetisme (paper momenteel onder peer review - dus officieus officieel). Een simpel elektrisch veld, zo blijkt, verandert de geheugentoestand van ruimtetijdcellen. Dit leidde hen tot een breder principe dat ze geometrie-informatie-dualiteit noemen: de vorm van de ruimtetijd wordt niet alleen beïnvloed door massa en energie, zoals Einstein leerde, maar ook door hoe kwantuminformatie is verdeeld, vooral via verstrengeling - dat griezelige verband waarbij twee deeltjes over lichtjaren heen verbonden kunnen zijn.
Deze verschuiving heeft dramatische gevolgen. In een andere studie (ook onder peer review) gedragen klonten afdrukken zich precies als donkere materie - ze clusteren onder zwaartekracht en verklaren waarom sterrenstelsels met onverwacht hoge snelheden draaien zonder exotische nieuwe deeltjes. In een ander artikel lieten ze zien hoe donkere energie zou kunnen ontstaan: wanneer ruimtetijdcellen verzadigd raken - denk aan volle harde schijven - kunnen ze geen nieuwe info meer opslaan, dus dragen ze een restenergie bij met dezelfde wiskundige vorm als de kosmologische constante. De grootte komt overeen met waargenomen donkere energie, wat suggereert dat donkere materie en donkere energie twee kanten van dezelfde informatie-munt zijn. Netjes.
Maar wat gebeurt er als het geheugen van de ruimtetijd volledig vol raakt? Hun nieuwste paper, geaccepteerd voor publicatie in The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, wijst op een cyclisch heelal dat stuitert in plaats van ineenstort tot een singulariteit. Elke cyclus van expansie en contractie deponeert meer entropie in het grootboek; wanneer de grens is bereikt, drijft de opgeslagen entropie een omkering aan - een stuiter - leidend tot een nieuwe expansiefase. Het model suggereert dat het heelal al drie of vier cycli heeft doorgemaakt, met minder dan tien resterend. Daarna is de informatiecapaciteit van de ruimtetijd volledig verzadigd, en gaat het heelal een laatste fase van vertragende expansie in. Dit plaatst de ware 'informatieleeftijd' van de kosmos op ongeveer 62 miljard jaar, niet de 13,8 miljard van onze huidige expansie.
Klinkt als pure theorie? Ze hebben delen van QMM al getest op hedendaagse kwantumcomputers, door qubits te behandelen als kleine ruimtetijdcellen. Met behulp van afdruk- en ophaalprotocollen gebaseerd op de QMM-vergelijkingen herstelden ze oorspronkelijke kwantumtoestanden met meer dan 90% nauwkeurigheid.