Ученые предложили эксперимент с аннигиляцией частиц, который мог бы установить, что информация действительно имеет массу.
В случае успеха эксперимент может пролить свет на загадочную темную материю в нашей вселенной и помочь нам управлять будущим хранения данных.
Попытка осмыслить информацию — это наш ежедневный опыт. Для физика Мелвина Вопсона это стремление выходит далеко за рамки обыденности — он пытается доказать, что информация имеет физическое присутствие. Это важная задача, которая может привести к новому пониманию того, как мы можем управлять будущим хранением информации. Это также может привести к фундаментальному сдвигу в том, как мы думаем о вселенной.
Вопсон, изучающий теорию информации в Портсмутском университете в Соединенном Королевстве, хочет использовать эксперимент, чтобы подтвердить, что элементарные частицы имеют измеримую массу. Это будет включать в себя процесс аннигиляции материи и антиматерии, который будет стрелять пучком позитронов в электроны в куске металла. Позитроны и электроны являются субатомными частицами с одинаковой массой и величиной заряда. Однако позитроны заряжены положительно, а электроны — отрицательно. Лист металла имеет много свободных электронов, что увеличивает вероятность столкновения с поступающими позитронами.
Вопсон предполагает, что аннигиляция позитрон-электрон должна производить энергию, эквивалентную массам двух частиц. Он также должен производить дополнительную порцию энергии: два инфракрасных фотона с низкой энергией определенной длины волны (по прогнозам, около 50 микрон) как прямой результат стирания информационного содержания частиц. Фотоны — это частицы электромагнитного излучения.
По словам Вопсона, не требуется крупномасштабного ускорителя частиц или коллайдера. «На самом деле нам нужны довольно медленные позитроны, поэтому основная задача — замедлить их на тепловых скоростях. Эксперимент сложный, но не недостижимый». Инфракрасные фотоны имеют очень специфические маркеры, поэтому их должно быть легко отличить от любой другой энергии, излучаемой частицами.
Вопсон надеется на сотрудничество с другими учеными для проведения этого эксперимента. В случае успеха это подтвердит гипотетические представления об энергии и массе информации и о том, как она связана с физической вселенной.
Новая концепция материи
Принцип эквивалентности массы, энергии и информации, предложенный Вопсоном в его статье AIP Advances 2019 года, предполагает, что бит цифровой информации, используемый сегодня для хранения цифровых данных, является не просто физическим, но имеет «конечную и измеримую массу, пока он хранит информацию». Эта очень маленькая масса, составляющая 3,19 × 10-38 кг при комнатной температуре.
Вопсон предполагает, что если вы сотрете этот бит информации, вы потеряете небольшое количество массы и, следовательно, эквивалентное количество энергии. Например, если стереть один терабайт данных с запоминающего устройства, его масса уменьшится на 2,5 × 10-25 кг. Величина настолько мала, что ее можно сравнить только с массой протона, которая составляет примерно 1,67 × 10-27 кг.
Эти идеи эквивалентности массы и энергии не новы. В 1961 году Рольф Ландауэр впервые предложил идею о том, что бит является физическим и имеет четко определенную энергию. Когда один бит информации стирается, этот бит рассеивает измеримое количество энергии. За годы до того, как эта концепция информации вошла в обиход, Альберт Эйнштейн установил, что масса равна энергии.
Ученые считают, что наблюдаемая материя во Вселенной имеет специфическое информационное наполнение. Например, типичные атомы, содержащие протоны, электроны и нейтроны, содержат не только совокупные массы этих субатомных частиц, но и мизерные массы информации, необходимой им для взаимодействия друг с другом и с остальной Вселенной. Согласно статье Вопсона, этот тип информации можно считать «ДНК» частиц.
В сочетании две «информационные гипотезы» дают конкретные предсказания о массе информации во Вселенной. Например, ученые подсчитали, что одна частица содержит 1,509 бит информации, представляющей такие характеристики, как масса, заряд и вращение частицы. Когда они умножили информацию об этой единственной частице примерно на все частицы во Вселенной (известное как число Эддингтона), они получили оценку 6,036 × 1080 бит информации во Вселенной. (Это только одна расчетная оценка.)
Если предложенный Вопсоном эксперимент окажется таким, как он ожидает, он докажет существование информации как пятого состояния материи во Вселенной, наряду с газом, плазмой, жидкостью и твердым состоянием.
«Более того, это покажет, что наша Вселенная является математической, и это соединит математику, вычисления и материальный [или] физический мир», — говорит Вопсон Popular Mechanics в электронном письме. «Это может радикально изменить наш взгляд на все в физике и других науках. Этот новый компонент материи во Вселенной может быть недостающим звеном в объяснении многих необъяснимых явлений, включая темную материю и темную энергию».
«Информационная катастрофа»
В таком подходе к информации есть и практическая сторона: это могло бы помочь нам разработать лучшие технологии хранения цифровой информации, говорит Вопсон. Первым цифровым запоминающим устройством был магнитный жесткий диск, изобретенный в 1956 году. Он кодирует информацию в виде двоичных данных, состоящих из единиц и нулей, или битов (восемь битов образуют байт). Ширина цифровых битов сегодня составляет от 10 до 30 нанометров, и мы можем предположить, что чем меньше физический бит, тем больше битов будет храниться на запоминающем устройстве.
Количество информации, которой мы располагаем сегодня, ошеломляет. «Каждый день на Земле мы генерируем 500 миллионов твитов, 294 миллиарда электронных писем, 4 миллиона гигабайт данных Facebook, 65 миллиардов сообщений WhatsApp и 720 000 часов нового контента, ежедневно добавляемого на YouTube», — говорится в статье Вопсона, написанной для World Economic. Форум.
Общий объем данных, «созданных, захваченных, скопированных и потребленных в мире», составил 59 зеттабайт в 2020 году, пишет Вопсон в статье. Один зеттабайт равен 8 000 000 000 000 000 000 000 бит. Международная корпорация данных, глобальный поставщик информации о рынке информационных технологий и коммуникаций, прогнозирует, что к 2025 году этот объем вырастет до 175 зеттабайт. Другими словами, мы создаем новую информацию с такой ошеломляющей скоростью, что через 350 лет мы создадим больше цифровых битов, чем все атомы на Земле, и эту теорию исследователи, такие как Вопсон, называют «информационной катастрофой». Примерно через 110 лет «энергия, необходимая для поддержания этого цифрового производства, превысит сегодняшнее общее энергопотребление планеты».
Вопрос в том, что в конечном итоге ограничило бы материальную форму хранения данных? Аргументация в области исследования Вопсона заключается в том, что «наименьший теоретический размер цифровых битов должен быть у элементарных частиц, поскольку они являются наименьшими известными строительными блоками материи во Вселенной», согласно его статье, опубликованной в феврале 2022 года в AIP Advances. Это мельчайшие частицы материи, которые стабильны и существуют сами по себе.
Доказательство того, что информация имеет массу, с помощью физических экспериментов — это первый шаг к поиску возможного решения проблемы взрывного роста информации.
Помимо наших земных проблем
Доказательство того, что информация имеет массу, может объяснить такие загадки, как темная материя. Это потому, что физические свойства битов информации имитируют то, чем кажется темная материя — маленькие биты массовых частиц без заряда или спина, говорит Вопсон.
«Нам определенно нужно взглянуть на космологические модели и попытаться включить этот новый компонент, чтобы объяснить динамику галактик и ускоренное расширение Вселенной», — говорит он. Возможно, дополнительная масса информации, содержащейся в самых элементарных частицах, может объяснить массу темной материи.
Его первоначальные грубые расчеты показывают, что 1093 битов информации могут объяснить всю «пропавшую» темную материю.
И подтверждение того, что информация является пятым состоянием материи, затрагивает странную идею: что вселенная на самом деле является компьютерной симуляцией. В качестве академического упражнения ученые уже предлагали эту идею. Если информация действительно является ключевым компонентом всего во Вселенной, то, возможно, какой-то компьютер где-то управляет всем нашим миром как симуляцией.