量子力学主宰着粒子与场的世界。两者在各自的领域内都表现出色。但将它们放在一起时，矛盾便会出现——尤其是在涉及黑洞、暗物质、暗能量以及宇宙起源时。
我和我的同事一直在探索一种弥合这一分歧的新方法。其核心思想是将信息——而非物质、能量，甚至时空本身——视为现实的最基本要素。我们将这一框架称为量子记忆矩阵（QMM）。
其核心是一个简单而有力的主张：时空不是平滑的，而是离散的——由微小的“单元”构成，这正是量子力学的暗示。每个单元都能存储每一次相互作用的量子印记，比如粒子的穿行，甚至是穿行而过的力（如电磁力或核力）的影响。每一个事件都会在时空单元的局域量子态中留下微小的变化。
换句话说，宇宙不仅仅是在演化。它还在记忆。
故事始于黑洞信息佯谬。根据相对论，任何落入黑洞的事物都会永远消失。而根据量子理论，这是不可能的。信息永远无法被销毁。
QMM提供了一条出路。当物质落入时，周围的时空单元会记录下它的印记。当黑洞最终蒸发时，信息并没有丢失。它早已被写入时空的记忆之中。
这一机制在数学上通过我们所谓的“印记算符”来描述，这是一条可逆规则，使得信息守恒得以成立。起初，我们将其应用于引力。但随后我们问道：自然界的其他力呢？事实证明它们也符合这一图景。
在我们假设时空单元存在的模型中，维系原子核的强核力和弱核力也会在时空中留下痕迹。后来，我们将该框架扩展到了电磁力（尽管这篇论文目前正在接受同行评审）。即使是简单的电场也会改变时空单元的记忆状态。
解释暗物质与暗能量
这引导我们提出了一个更广泛的原则，我们称之为几何-信息对偶性。在这个观点下，时空的形状不仅受质量和能量的影响（正如爱因斯坦所教导的那样），还受量子信息分布方式的影响，特别是通过纠缠。纠缠是一种量子特性，例如两个粒子可以发生“幽灵般”的连接，这意味着如果你改变其中一个的状态，另一个也会自动且立即地发生改变——即使两者相隔数光年。
这种视角的转变带来了巨大的影响。在一项目前正在接受同行评审的研究中，我们发现成团的印记表现得就像暗物质一样，这是一种构成了宇宙中大部分物质的未知物质。它们在引力作用下聚集，并解释了星系的运动——这些星系似乎以意想不到的高速运行——而无需引入任何奇异的新粒子。
在另一项研究中，我们展示了暗能量是如何涌现的。当时空单元饱和时，它们无法记录新的独立信息。相反，它们会贡献给时空的剩余能量。有趣的是，这种剩余贡献具有与“宇宙学常数”或暗能量相同的数学形式，后者正促使宇宙加速膨胀。
其量级与驱动宇宙加速的观测到的暗能量相符。这些结果共同表明，暗物质和暗能量可能是同一枚“信息硬币”的两面。
循环宇宙？
但如果时空的记忆是有限的，当它被填满时会发生什么？我们最新的宇宙学论文已被《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics）录用，它指向了一个循环宇宙——一次又一次地诞生和消亡。每一次膨胀和收缩的循环都会将更多的熵（一种无序度的量度）存入账本。当达到界限时，宇宙会“反弹”进入一个新的循环。
达到界限意味着时空的信息容量（熵）已达到极限。此时，收缩无法平滑地继续下去。方程显示，存储的熵并没有坍缩成奇点，而是驱动了一次逆转，导致了一个新的膨胀阶段。这就是我们所描述的“反弹”。
通过将模型与观测数据进行比较，我们估计宇宙已经经历了三到四次膨胀和收缩的循环，剩下的循环不到十次。在剩余的循环完成后，时空的信息容量将完全饱和。届时，将不再发生反弹。相反，宇宙将进入膨胀减缓的最后阶段。
这使得宇宙真正的“信息年龄”约为620亿年，而不仅仅是我们当前膨胀期的138亿年。
到目前为止，这听起来可能纯粹是理论上的。但我们已经在现有的量子计算机上测试了QMM的部分内容。我们将量子计算机的基本单位——量子比特——视为微小的时空单元。利用基于QMM方程的印记和检索协议，我们以超过90%的准确率恢复了原始量子态。
这向我们展示了两件事。首先，印记算符在真实的量子系统上有效。其次，它具有实际益处。通过将印记与传统的纠错码相结合，我们显著减少了逻辑错误。这意味着QMM不仅能解释宇宙，还能帮助我们构建更好的量子计算机。
QMM将宇宙重新定义为一个宇宙记忆库和一台量子计算机。每一个事件、每一种力、每一个粒子都会留下印记，塑造着宇宙的演化。它将物理学中一些最深奥的谜题联系在了一起，从信息佯谬到暗物质和暗能量，从宇宙循环到时间之箭。
而且它是以一种已经可以在实验室中进行模拟和测试的方式实现的。无论QMM被证明是最终定论还是一块垫脚石，它都开启了一种令人惊讶的可能性：宇宙可能不仅仅是几何和能量。它也是记忆。而在那段记忆中，宇宙历史的每一个瞬间可能依然被记录着。