Uzay-zaman her şeyi hatırlıyor mu? Kuantum hafıza matrisi fikri tartışmada

Modern fiziğin iki büyük kuramı, genel görelilik ve kuantum mekaniği, kendi alanlarında kusursuz çalışıyor; ancak ikisini aynı masaya oturtmaya kalkınca çelişkiler baş gösteriyor. Bu açığı kapatmaya yönelik yeni önerilerden biri, kuantum hafıza matrisi (İngilizce kısaltmasıyla QMM) adını taşıyor. Fizikçi Florian Neukart ve çalışma arkadaşlarının geliştirdiği çerçeve, evrenin yalnızca evrimleşmediğini, aynı zamanda yaşadıklarını "hatırladığını" savunuyor. Kuram henüz doğrulanmış değil, ancak kara deliklerden karanlık enerjiye kadar uzanan iddialarıyla dikkat çekiyor.

Pürüzsüz değil, hücreli bir uzay-zaman

Einstein'ın kuramında uzay-zaman kesintisiz, pürüzsüz bir doku olarak ele alınır. QMM ise farklı bir resim çiziyor: uzay-zaman, son derece küçük ve ayrık "hücrelerden" oluşuyor. Her hücre, içinden geçen parçacıkların ya da kuvvetlerin bıraktığı kuantum izini saklayabiliyor. Bir parçacığın geçişi, bir elektrik alanının etkisi ya da çekirdek kuvvetlerinin etkileşimi, hücrenin yerel kuantum durumunda küçük bir değişiklik bırakıyor.

Neukart bu hücreleri dijital bitlere benzetmiyor. Onları, geçmişteki etkileşimlerin izlerini taşıyan fiziksel bilgi taşıyıcıları olarak tanımlıyor; tıpkı bir kristal örgünün kendisinde önceden oluşmuş kusurları saklaması gibi. Kuramın matematiksel çekirdeğini ise "iz operatörü" adı verilen ve bilginin korunmasını sağlayan tersinir bir kural oluşturuyor.

Bilgi paradoksuna bir çıkış yolu

Çerçevenin çıkış noktası, fiziğin en inatçı sorunlarından biri olan kara delik bilgi paradoksu. Görelilik açısından kara deliğe düşen her şey sonsuza dek kaybolur. Kuantum mekaniği ise bilginin asla yok olamayacağını söyler. Stephen Hawking'in kara deliklerin ışıma yaparak zamanla buharlaşabileceğini göstermesiyle sorun daha da keskinleşti: Kara delik tamamen buharlaştığında içine düşen bilgiye ne olur?

QMM'nin yanıtı şu: Madde kara deliğe düşerken çevredeki uzay-zaman hücreleri onun izini kaydediyor. Kara delik buharlaştığında bilgi kaybolmuyor, çünkü zaten uzay-zamanın hafızasına yazılmış durumda.

Karanlık madde ve karanlık enerji iddiası

Kuramın en iddialı yanı, evrenin bilinmeyen iki bileşenini de açıklama girişimi. Gözlemler, evrendeki maddenin büyük kısmının ışıkla etkileşmeyen karanlık maddeden oluştuğunu ve evrenin genişlemesinin karanlık enerji adı verilen bir etkenle hızlandığını gösteriyor. Her ikisinin de doğası bilinmiyor.

• Karanlık madde: Hakem değerlendirmesindeki bir çalışmaya göre, uzay-zamanda biriken iz kümeleri kütleçekimi altında topaklanıyor ve galaksilerin beklenenden hızlı dönmesini yeni bir parçacık gerektirmeden açıklayabiliyor.
• Karanlık enerji: Hücreler doyuma ulaştığında yeni bilgi kaydedemiyor ve geriye kalan katkı, kozmolojik sabitle aynı matematiksel biçime bürünüyor.
• Döngüsel evren: Ekibin kozmoloji makalesine göre her genişleme-büzülme döngüsü bilgi defterine yeni entropi ekliyor ve sınır aşıldığında evren tekilliğe çökmek yerine yeni bir genişlemeye "sıçrıyor".

Araştırmacılar bu modele dayanarak evrenin şimdiye dek üç ya da dört döngü geçirdiğini ve bilgisel yaşının mevcut genişleme evresinin 13,8 milyar yılı yerine yaklaşık 62 milyar yıl olabileceğini öne sürüyor. Bu sayılar, kuramın varsayımlarına sıkı sıkıya bağlı tahminler.

Ekip, fikrin bir bölümünü bugünün kuantum bilgisayarlarında sınadı. Kübitleri küçük uzay-zaman hücreleri gibi kullanıp QMM denklemlerine dayalı kaydetme ve geri çağırma protokolleri uyguladılar; başlangıçtaki kuantum durumlarını yüzde 90'ın üzerinde doğrulukla geri elde ettiler. Bu sonuç evrenin gerçekten böyle işlediğini kanıtlamıyor, ancak iz operatörünün gerçek kuantum sistemlerinde çalıştığını gösteriyor. Ekip, yöntemin hata düzeltme kodlarıyla birleştirildiğinde mantıksal hataları azalttığını da bildiriyor.

Neukart, aynı çerçevenin fiziğin bir başka eski sorusuna da ışık tutabileceğini savunuyor: Temel denklemler ileri ve geri yönde aynı biçimde çalışırken zaman neden yalnızca tek yöne akıyor? QMM'ye göre gerçek etkileşimler hiçbir zaman yalıtılmış değil; her olay çevresine bilgi sızdırıyor ve kalıcı kayıtlar bırakıyor. Bu bilgi çevreye bir kez yayıldıktan sonra olayı geri almak, onun yol açtığı bütün fiziksel değişiklikleri tek tek geri sarmayı gerektiriyor; bu da pratikte imkânsız. Zamanın oku, bu bakış açısında uzay-zamanın biriken hafızasının bir sonucu olarak beliriyor.

Temkinli olmak için nedenler

QMM, fizik camiasında genel kabul görmüş bir kuram değil. Karanlık madde ve elektromanyetizma üzerine çalışmaların bir kısmı yazıldığı dönemde hâlâ hakem değerlendirmesindeydi. Uzay-zamanın ayrık yapıda olduğu fikri döngü kuantum kütleçekimi gibi başka yaklaşımlarda da yer alıyor, ancak hiçbiri henüz deneysel olarak doğrulanmadı.

Böyle bir kuramın gerçek sınavı, gözlemle ayırt edilebilecek öngörüler üretmesi olacak: galaksi dönme eğrilerinde, kozmik mikrodalga arka plan ışımasında ya da kara delik birleşmelerinden gelen kütleçekim dalgalarında standart modelden farklı izler. Bu öngörüler sınanana kadar kozmik hafıza fikri, evreni bilgi üzerinden yeniden düşünmeye davet eden cesur bir hipotez olarak kalıyor.