Если это правда, эта идея может даже помочь нам понять всю тёмную материю в нашей вселенной.

Попытки понять смысл информации — это повседневный опыт каждого человека. Для физика Мелвина Вопсона это стремление выходит далеко за рамки обыденности — он пытается доказать, что информация физически присутствует в нашем мире. Это сложная задача, которая может привести к новым открытиям о том, как мы можем управлять будущим хранения информации. Это также может привести к фундаментальному изменению в нашем представлении о Вселенной.

Доктор Вопсон изучает теорию информации в Университете Портсмута в Великобритании и хочет провести эксперимент. Если всё пойдёт так, как он ожидает, результаты докажут, что информация имеет массу и является пятым состоянием вещества во Вселенной наряду с газообразным, плазменным, жидким и твёрдым состояниями.

«Более глубоко, это покажет, что наша вселенная является математической, и это соединит математику, вычисления и материальный [или] физический мир», — говорит Вопсон в электронном письме Popular Mechanics. «Это может радикально изменить наше представление о физике и других науках. Этот новый компонент материи во вселенной может быть недостающим звеном в объяснении многих необъяснимых явлений, включая тёмную материю и тёмную энергию».

Вопсон описал свой предлагаемый эксперимент в статье, опубликованной в марте 2022 года в журнале AIP Advances. Во-первых, в процессе аннигиляции материи и антиматерии пучок позитронов будет направлен на электроны в куске металла. Позитроны и электроны — это субатомные частицы с одинаковой массой и величиной заряда. Однако позитроны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. В металлическом листе много свободных электронов, что увеличивает вероятность столкновения с поступающими позитронами.

По словам Вопсона, аннигиляция позитрона и электрона должна произвести энергию, эквивалентную массе двух частиц. Она также должна произвести дополнительный всплеск энергии, поскольку информация, содержащаяся в частицах, будет стёрта. Должны будут появиться два инфракрасных фотона низкой энергии — частицы электромагнитного излучения — с определённой длиной волны (по прогнозам, около 50 микрон).

По словам Вопсона, для этого не требуется крупномасштабный ускоритель частиц или коллайдер. «На самом деле нам нужны довольно медленные позитроны, поэтому главная задача состоит в том, чтобы замедлить их до тепловых скоростей. Эксперимент сложен, но не невозможен». Инфракрасные фотоны имеют очень специфические маркёры, поэтому их должно быть легко отличить от любой другой энергии, излучаемой частицами.

Вопсон надеется сотрудничать с другими учёными для проведения этого эксперимента. В случае успеха он подтвердит гипотетические представления об энергии и массе информации и их связи с физической вселенной.

Принцип эквивалентности массы, энергии и информации, предложенный Вопсоном в его более ранней статье, опубликованной в 2019 году в журнале AIP Advances, предполагает, что бит цифровой информации, используемый сегодня для хранения цифровых данных, является не только физическим, но и имеет «конечную и поддающуюся количественному измерению массу, пока он хранит информацию». Эта очень маленькая масса составляет 3,19 × 10^-38 килограмма при комнатной температуре.

Вопсон выдвигает гипотезу, что при удалении этого бита информации теряется крошечное количество массы и, следовательно, эквивалентное количество энергии. Например, если удалить один терабайт данных с устройства хранения, его масса уменьшится на 2,5 × 10^-25 килограмма, что настолько мало, что можно сравнить только с массой протона, которая составляет около 1,67 × 10^-27 килограмма.

Эти идеи эквивалентности массы и энергии не являются новыми. В 1961 году Рольф Ландауэр впервые выдвинул идею о том, что бит является физическим явлением и имеет чётко определённую энергию. Когда один бит информации стирается, он рассеивает измеримое количество энергии. За много лет до появления этой концепции информации Альберт Эйнштейн установил, что масса эквивалентна энергии.

Учёные считают, что наблюдаемая материя во Вселенной имеет определённое информационное содержание. Например, типичные атомы, содержащие протоны, электроны и нейтроны, обладают не только совокупной массой этих субатомных частиц, но и крошечной массой информации, необходимой им для взаимодействия друг с другом и с остальной частью Вселенной. По словам Вопсона, этот тип информации можно считать чем-то вроде «ДНК» частиц.

В совокупности эти две «информационные гипотезы» позволяют сделать конкретные прогнозы о массе информации во Вселенной. Например, учёные подсчитали, что одна частица содержит 1,509 бита информации, представляющей такие характеристики, как масса, заряд и спин частицы. Умножив информацию об одной частице примерно на все частицы во Вселенной (известные как число Эддингтона), они получили оценку в 6,036 x 10⁸⁰ бит информации во Вселенной. (Это всего лишь одна из расчётных оценок.)

Такой подход к информации имеет и практическую сторону: он может помочь нам разработать более совершённые технологии хранения цифровой информации, говорит Вопсон. Первым устройством цифрового хранения информации был магнитный жёсткий диск, изобретённый в 1956 году. Он кодирует информацию в виде двоичных данных в виде единиц и нулей, или битов (восемь битов образуют байт). Ширина цифровых битов сегодня составляет от 10 до 30 нанометров, и можно предположить, что чем меньше физический бит, тем больше битов может хранить устройство хранения.

Объём информации, которым 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, добавляемого ежедневно на YouTube», — говорится в статье, написанной Вопсоном для Всемирного экономического форума.

Общий объём данных, «созданных, захваченных, скопированных и потреблённых в мире», в 2020 году составил 59 зеттабайт, пишет Вопсон в своей статье. Один зеттабайт равен 8 000 000 000 000 000 000 000 битов. Международная корпорация International Data Corporation, глобальный поставщик рыночной информации в области информационных технологий и коммуникаций, прогнозирует, что к 2025 году этот объём вырастет до 175 зеттабайт. Другими словами, мы создаём новую информацию с такой ошеломляющей скоростью, что через 350 лет мы создадим больше цифровых битов, чем всех атомов на Земле, — теория, которую такие исследователи, как Вопсон, называют «информационной катастрофой». Примерно через 110 лет «мощность, необходимая для поддержания этого цифрового производства, превысит общее потребление энергии на планете сегодня», — говорится в его статье в журнале AIP Advances.

Вопрос в том, что в конечном итоге ограничит материальную форму хранения данных? Согласно его статье 2022 года «наименьший теоретический размер цифровых битов должен быть равен размеру элементарных частиц, поскольку они являются наименьшими известными строительными блоками материи во Вселенной». Это мельчайшие частицы материи, которые являются стабильными и существуют самостоятельно.

Доказательство того, что информация имеет массу, с помощью физических экспериментов — это первый шаг к поиску возможного решения проблемы взрывного роста объёма информации.

И это доказательство может объяснить такие космические загадки, как тёмная материя. Это потому, что физические свойства битов информации имитируют то, чем, по-видимому, является тёмная материя — небольшие частицы массы без заряда и спина, говорит Вопсон.

«Нам определённо нужно изучить космологические модели и попытаться включить в них этот новый компонент, чтобы объяснить динамику галактик и ускоренное расширение Вселенной», — говорит он. Возможно, дополнительная масса информации, содержащаяся в самых простых частицах, может объяснить массу тёмной материи.

Его первоначальные приблизительные расчёты показывают, что 10 в степени 93 бита информации объясняют всю «ненайденную» тёмную материю.

Подтверждение того, что информация является пятым состоянием материи, косвенно относится и к другой смелой идее: что Вселенная на самом деле является компьютерной симуляцией. Дополнительным доказательством этой потенциальной реальности является гравитация. Учёные уже выдвигали гипотезу симуляции в качестве академического упражнения, но последняя статья Вопсона по этой теме, опубликованная в апреле в журнале AIP Advances, идёт дальше, описывая гравитацию как механизм, который заставляет информацию переходить от хаоса к порядку.

Если информация действительно является ключевым компонентом Вселенной, то, возможно, какой-то компьютер управляет всем нашим миром как симуляцией.