宇宙或许记得：科学家提出时空记忆论
科学家提出时空具记忆功能，或能揭示暗物质本质。
当你抬起手，在面前轻轻挥动，表面上似乎什么都没发生。最多感受到脸颊掠过的一丝空气，并没有什么特别。但往往正是这些日常细微之处，隐藏着我们尚未理解的宇宙奥秘。
我开始相信，每一次动作，无论多么微小，都会在时空中留下某种印记。这种变化虽然极其细微，人类可能永远无法察觉，但放大到宇宙尺度，这些痕迹也许至关重要。更大胆地说，我认为时空并非如我们以为的那般空无一物，而是某种被信息填充的结构。
这个观点乍听大胆，甚至有些离经叛道。它重新定义了现实存在的“舞台”。过去几年里，我不断在脑海中打磨这个想法，同时借助量子计算机验证它的逻辑和潜力。它不仅挑战了我们对重力的理解，还逐渐延伸到了自然界的其他基本力量。而这一路上，我还顺带为量子计算中的一大难题提供了思路，甚至隐约窥见了更大的科学突破。
这段思考的旅程可以追溯到十五年前。那时我还是一名工程顾问，白天飞遍欧洲为各大公司维修设备，晚上则埋头攻读机器学习的博士学位。在物理机器与虚拟信息之间穿梭之际，我发现了一条通往更深世界的路径。
要理解这个想法，必须先从爱因斯坦的广义相对论谈起。这套理论认为，质量可以让时空像一张橡皮布那样被拉伸和弯曲，弯曲本身就表现为重力。这个理论在很多场景下都运作良好，但它与另一个现代物理的支柱——量子力学——存在根本冲突。相对论认为时空是连续光滑的，而量子理论却表明一切物质和能量都由不连续的“量子”组成。解决这两者矛盾的出路，被认为是构建“量子引力”理论。
而我自己的思考则起源于一个更基础的问题：信息是什么？在研究大脑和计算机中信息存储机制的同时，我逐渐走进了量子信息物理的世界。量子理论认为，信息是一个真实存在的物理实体，它不能被创造或摧毁。比如一本书被丢进火里，虽然看不见了，但烟雾和灰烬中依然保留了那本书的全部信息，只不过变得混乱难解。
这使我回到了一个悬而未决的问题：黑洞信息悖论。按照广义相对论，任何掉入黑洞的东西都会穿过事件视界，然后彻底消失。但黑洞又会极慢地蒸发至无，而这意味着它“吃掉”的信息也随之消失。可量子理论却坚持信息不可毁灭——这就是悖论的核心。
我开始在出差的火车和飞机上琢磨这个难题：我们是否错过了时空储存信息的某种方式？我的假设是，时空不是一张连续的幕布，而是由极其微小的“单元格”组成的格状结构——一种隐形的宇宙网格。这个设想本身并不新，许多量子引力理论也认为时空具有颗粒性。但我更进一步，提出这些基本单元也许就像记忆单元一样，能记录信息。
这听起来当然离奇。我们习惯于将信息储存在可变的物理系统中，比如神经元放电或电荷在电路中堆积。但“空的空间”怎么储存东西？关键在于现代物理已将所有粒子和力都视为量子场的激发，而这些量子场贯穿时空。那么时空本身，也可被理解为拥有量子状态的结构。每个单元就像一个微型开关，而它们之间更复杂的信息，是分布在整个网络中的关系。
这让我重新回到黑洞问题。如果某个物体穿越时空，它就会在所经过的这些单元上留下痕迹。这些微小变化汇集起来，就是事件的记忆。于是我猜测，也许这就是破解黑洞信息悖论的关键。即使黑洞本身蒸发了，它对周围时空的印记依然存在。信息从未真正消失，它只是藏在我们过去未曾注意的地方。
这个想法在我心中酝酿多年，逐渐成形并非我一人之力。我与Valerii Vinokur、Eike Marx、Reuben Brasher 和 Jeff Titus——我现在所在的量子计算公司 Terra Quantum 的同事们——进行了无数次长夜讨论。2024年，我们发表了一篇论文，提出了“印记算符”的概念，它描述了信息是如何被“刻进”时空结构中的。理论上，我们证明了这个机制确实能解释信息是如何被黑洞附近的时空所保留的。
我们把这个理论框架称作“量子记忆矩阵”(QMM)，后来惊讶地发现，它不只适用于重力。既然时空真的能记忆，那它就能记录来自自然界其他三种基本力的信息：电磁力、强核力和弱核力。
最初的印记算符非常适合描述重力，但要扩展到强弱核力，我们不得不做出修正，让它能适应这些更复杂的相互作用。今年三月，我们又进一步将其拓展到电磁力。这样，四种基本力全都可以纳入QMM的统一视野中。它们都会在时空中留下痕迹。
让我更兴奋的是，这个理论不依赖任何新粒子，也不借助看不见的维度。它只是把我们已知的量子信息知识，换了一种结构去理解。当然，也有不少物理学家质疑：时空能记忆？记住的是什么？怎么测试？也有人说这不过是量子引力老思路的变种，不算真的创新。
但我并不这么看。我们不仅提出了这个设想，还尝试验证它。真正的检验方式，是看看能不能从时空中“读取”这些信息。虽然听上去像科幻，但量子计算机正是操控和读取量子信息的机器。
虽然现在的粒子加速器远达不到研究时空单元格的能量级别，但我们可以在量子计算机中“模拟”这种过程。我们用一个量子位，从初始状态出发，让它经历一个模拟的演化过程，像是量子场在它身上流过。然后我们用“逆向印记算符”去看它是否能还原原始状态。结果显示，成功率高达90%。这不是空中楼阁，而是真实的量子系统中运行的模型，说明“时空记忆”不仅可想象，而且可以建模。
更妙的是，这个印记算符还意外解决了量子计算的另一难题。量子信息在复制时极易出错，而机器一旦规模扩大，这些小错误就积累成灾。谷歌去年展示了AI修正错误的方法，而我们的方式提供了一个替代路径。把印记机制与常规纠错技术结合后，错误率下降了约35%，还节省了40%的计算资源。这也是我相信QMM框架的又一个原因。
更惊人的猜想还在后头。如果信息可以改变时空曲率，那会不会它本身就是暗物质？我们早就知道，许多星系的引力强度远超其质量应有的表现。为此科学家假设了“暗物质”的存在，但没人知道它到底是什么。
我们尝试用信息对时空的引力效应，去匹配观测中暗物质的作用。结果是，两者非常接近。
现在我很好奇的是：时空的记忆能追溯到多远？我怀疑，从宇宙诞生之初开始，它就一直在“记录”。虽然这还无法被证明，但我对信息在宇宙中所扮演的角色，已比当初清晰太多。
我最初的问题始终得不到答案。而如今，我终于走到了答案的门口——不再是空泛的挥手，而是真正有据可依的突破。
