Teoria informacji przybliża nas do lepszego zrozumienia grawitacji kwantowej
Teoria informacji – dyscyplina naukowa leżąca u podstaw naszego połączonego w sieć świata cyfrowego, bazującego na przechowywaniu danych i komunikacji odbywającej się za pośrednictwem Internetu, komputerów i smartfonów – zaczyna wpływać na fizykę. Umożliwia ona badanie pełniących rolę nośników informacji systemów fizycznych oraz interakcji między nimi z nowej perspektywy. W ramach finansowanego ze środków UE projektu Space-Time from Info zastosowano teorię informacji, aby rozpocząć opracowywanie nowego paradygmatu, w którym struktura czasoprzestrzeni postrzegana jest jako wyłaniająca się z przepływów informacji wśród jej mikroskopijnych składników. Przygody w czasoprzestrzeni Punktem wyjścia projektu Space-Time from Info był pogląd, że mikroarchitektura wszechświata, jako sieć systemów fizycznych, może być, w przybliżeniu, porównywana do funkcjonowania Internetu. Celem projektu było bardziej dogłębne zrozumienie grawitacji kwantowej, aby wyjaśnić znane nam struktury wielkoskalowe (takie jak systemy planetarne, galaktyki i kosmos) jako zjawiska zbiorowe powstające w wyniku procesów wymiany informacji w ramach mikro-sieci. Wyjaśniając wyjątkowość tego podejścia, koordynator projektu, profesor Caslav Brukner, mówi: „W bardziej tradycyjnym ujęciu na pierwszym miejscu stawia się czasoprzestrzeń, a następnie rozważa się, jaki rodzaj przepływu informacji jest w niej możliwy. Nasze założenie jest takie, że w zasadzie nie można rozważać jednego bez drugiego, że w pewnym sensie mogą się one pokrywać”. Grawitacja kwantowa ma na celu opisanie, w jaki sposób struktura czasoprzestrzeni, którą widzimy wokół nas w wielkiej skali naszego wszechświata – i która jest dobrze opisana przez ogólną teorię względność – nie jest sama w sobie fundamentalna, ale raczej wyłania się jedynie jako szczególna granica kwantowej teorii czasoprzestrzeni. Jak wyjaśnia główny badacz i stypendysta programu Marie Curie dr Philipp Höhn: „Jest to analogiczne do tego, jak klasyczna fizyka mechaniczna staje się klasyczną granicą mechaniki kwantowej. Mówiąc prosto: mimo że piłka nożna składa się z wielu systemów kwantowych w postaci atomów, można ją opisać klasycznymi newtonowskimi prawami ruchu”. W projekcie wykorzystano najbardziej elementarny system kwantowy, qubit, oraz fakt, że możliwe jest zakodowanie dowolnego kierunku przestrzennego rzeczywistej przestrzeni, w której żyjemy, w stan kwantowy qubitu. Jest to możliwe tylko dlatego, że zarówno przestrzeń rzeczywista, jak i przestrzeń stanów qubitu są trójwymiarowe. Dr Höhn tłumaczy: „w ten sposób odlegli obserwatorzy lub agenci mogą przekazywać pełną informację kierunkową, na przykład w celu zsynchronizowania swoich ram odniesienia, wykorzystując najbardziej elementarne systemy kwantowe jako nośniki informacji”. Wykorzystanie tej obserwacji pozwoliło badaczom na wyprowadzenie struktury czasoprzestrzennej z komunikacji systemów kwantowych pomiędzy agentami, co nie było wcześniej oczywiste. Zaskakujące jest to, że badanie zostało przeprowadzone bez z góry założonej struktury czasoprzestrzennej. Zmiana naszego rozumienia przestrzeni i czasu Podstawową ideą leżącą u podstaw projektu było to, że o ile struktura czasoprzestrzenna nakłada ograniczenia na to, jakie procesy teorii informacji mogą zostać fizycznie wdrożone i w jaki sposób, o tyle właściwości informacyjne (na przykład sama wykonalność pewnych zadań komunikacyjnych) mogą również nakładać ograniczenia na strukturę czasoprzestrzeni. W ramach projektu opracowano mapę drogową w zakresie sieciowego podejścia do grawitacji kwantowej, która dobrze wpisuje się w najnowsze osiągnięcia w dziedzinie fizyki wysokich energii. Jak wyjaśnia dr Höhn: „w szczególności sugeruje to wykorzystanie siły korelacji między podsystemami kwantowymi w celu wyprowadzenia pojęcia odległości, a tym samym geometrii. Opiera się to na spostrzeżeniu, że w pewnych warunkach im więcej informacji systemy mają o sobie nawzajem, tym bliżej siebie się znajdują”. Chociaż projekt nie przynosi bezpośredniego praktycznego zastosowania, jest on częścią badań podstawowych, które mogą zmienić nasze rozumienie czasu i przestrzeni, a w końcu naszego wszechświata.
Słowa kluczowe
Space-time from Info, grawitacja kwantowa, ogólna teoria względności, teoria informacji, sieć, qubit, geometria, wszechświat
