Живём ли мы в «матрице»? Наука пытается ответить — да

Информация может быть пятым состоянием материи — и доказать, что мы живём в симуляции

Мы привыкли думать, что материя бывает твёрдой, жидкой, газообразной или плазмой. Но что, если к этому списку стоит добавить ещё одно состояние — информацию?

На первый взгляд это звучит как научная фантастика, но именно такую гипотезу выдвинул физик Мелвин Вопсон, доктор философии из Портсмутского университета (Великобритания). Он не просто рассуждает, а предлагает эксперимент, который может показать, что информация имеет массу и занимает своё место в фундаментальной структуре Вселенной.

Если учёному удастся доказать свою теорию, последствия будут колоссальными. Это поможет понять природу тёмной материи и тёмной энергии, пересмотреть принципы хранения данных, а возможно — даже подтвердить идею, что наша реальность является компьютерной симуляцией.

Что именно утверждает Вопсон

Физик считает, что информация — это не абстрактное понятие, а вполне осязаемая субстанция, которая может обладать массой. В его представлении она должна считаться пятым агрегатным состоянием материи — физическим состоянием вещества, зависящим от соответствующего сочетания температуры и давления.

Он предложил эксперимент с аннигиляцией частиц, который может подтвердить, что у информации действительно есть масса.

Сведения, данные, материалы, сообщения, новости, факты, знания — это часть нашей повседневной жизни. Но для физика Мелвина Вопсона это стремление выходит далеко за рамки обыденного: он пытается доказать, что информация имеет физическое присутствие. Это масштабная задача, которая может привести к новым открытиям о том, как нам лучше храненить данные. Но ещё более значимо — она может вызвать фундаментальный сдвиг в знаниях о самой Вселенной.

«Более того, это покажет, что наша Вселенная математична, и создаст мост между математикой, вычислительными науками и материальным (или физическим) миром», — сказал Вопсон.

«Это может радикально изменить наше восприятие всего в физике и других науках. Новый компонент материи во Вселенной может оказаться недостающим звеном для объяснения множества до сих пор необъяснённых явлений, включая тёмную материю и тёмную энергию».

Предложенный эксперимент

Вопсон описал свой эксперимент в статье марта 2022 года в журнале AIP Advances. Суть такова: в процессе аннигиляции частиц и античастиц (материи и антиматерии) поток позитронов будет направлен на электроны внутри металлической пластины.

Позитроны и электроны — это субатомные частицы с одинаковой массой и величиной заряда, но с разным знаком: первые заряжены положительно, вторые — отрицательно. Металл содержит множество свободных положительных частиц, что повышает вероятность их столкновения с отрицательными.

Аннигиляция электрона и позитрона должна вызывать выделение энергии, равную их массе, говорит учёный. Но вдобавок к этому должна выделяться ещё одна «дополнительная» порция энергии — в момент, когда информационное содержимое частиц стирается. По его прогнозу, должны появиться два инфракрасных низкоэнергетических фотона (частицы электромагнитного излучения) длиной волны около 50 микрометров.

Для проведения эксперимента не нужен крупный ускоритель или коллайдер, подчёркивает физик.

«Нам, напротив, нужны сравнительно медленные позитроны, поэтому главная задача — замедлить их. Эксперимент сложный, но вполне реализуемый».

У инфракрасных фотонов будут чёткие маркеры, поэтому их будет легко отличить от других источников излучения.

Физик надеется сотрудничать с другими учёными во время научного исследования. Если оно окажется успешным, это подтвердит гипотезу о том, что информация обладает энергией и массой, а также её связь с физическим миром.

Принцип эквивалентности массы, энергии и информации

Принцип, предложенный Вопсоном ещё в 2019 году, предполагает: цифровой бит информации (единица хранения данных) — это не просто абстракция, а объект с конечной, измеримой массой, пока он хранит данные. Она крайне мала — 3,19 × 10⁻³⁸ килограмм при комнатной температуре.

Если стереть эту частицу информации, исчезнет и крошечная доля массы, а значит, и эквивалентное количество энергии, считает физик. Например, удаление одного терабайта данных с накопителя уменьшило бы его массу на 2,5 × 10⁻²⁵ килограмма — величину настолько малую, что её можно сравнить лишь с массой протона (≈1,67 × 10⁻²⁷ килограмма).

Такие идеи эквивалентности массы и энергии не новы. Ещё в 1961 году Рольф Ландауэр впервые предложил, что бит информации является физическим и имеет определённую энергию. При стирании одного бита выделяется измеримое количество энергии. Задолго до этого Альберт Эйнштейн установил, что масса эквивалентна энергии.

Сколько информации во Вселенной

Если объединить эти две гипотезы (что «бит имеет массу» и «частицы хранят информацию»), можно сделать конкретные предсказания о массе информации во Вселенной.

По оценкам, одна частица содержит около 1,509 битов информации, описывающей её свойства — массу, заряд и спин. Умножив это число на приблизительное количество частиц во Вселенной (так называемое число Эддингтона), учёные получили результат: 6,036 × 10⁸⁰ битов информации во Вселенной (это лишь одна расчётная оценка).

Учёные полагают, что наблюдаемая материя во Вселенной также содержит определённое информационное содержание. Например, атомы, состоящие из протонов, нейтронов и электронов, включают не только их массу, но и крошечную массу информации, необходимую для взаимодействия частиц друг с другом и с остальной Вселенной. Вопсон называет это «ДНК частиц».

Практическое значение: хранение данных

У исследования есть и прикладной аспект: оно может помочь разработать более эффективные технологии хранения данных, считает Вопсон.

Первое устройство для цифрового хранения — жёсткий диск — было изобретено в 1956 году. Оно записывало информацию в виде двоичных данных, состоящих из единиц и нулей (0 и 1) или битов (восемь бит образуют байт). Сегодня ширина таких битов — от 10 до 30 нанометров. И чем меньше физический размер бита, тем больше данных помещается на носитель.

Объём информации, которую мы создаём сегодня, поражает воображение.

«Каждый день на Земле генерируется 500 миллионов твитов, 294 миллиарда электронных писем, 4 миллиона гигабайт данных Facebook (запрещённая в России соцсеть; принадлежит компании Meta, признанной экстремистской организацией и запрещённой в РФ), 65 миллиардов сообщений в WhatsApp и 720 тысяч часов нового контента на YouTube», — писал Вопсон в статье для Всемирного экономического форума.

Общий объём данных, «созданных, зафиксированных, скопированных и использованных в мире», в 2020 году составил 59 зеттабайт. Один зеттабайт — это 8 000 000 000 000 000 000 000 бит. Международная корпорация данных (IDC) прогнозировала, что к 2025 году этот показатель вырастет до 175 зеттабайт. Иными словами, мы создаём новые данные с такой скоростью, что через 350 лет количество цифровых битов превысит число атомов на Земле. Учёные вроде Вопсона называют это «информационной катастрофой».

Кроме того, примерно через 110 лет «энергия, необходимая для хранения и поддержания этого цифрового инфопроизводства, превысит текущее мировое энергопотребление», отмечал он в своей статье в AIP Advances.

Ограничения и пределы

Вопрос в том, что может в конечном итоге ограничить материальную форму хранения данных? Логика исследований Вопсона такова: наименьший возможный размер цифрового бита — это элементарные частицы, так как именно они являются самыми маленькими известными строительными блоками материи во Вселенной. Это наименьшие устойчивые частицы, существующие самостоятельно.

Доказательство того, что у информации есть масса, с помощью физических экспериментов станет первым шагом к поиску решения проблемы взрывного роста данных.

Связь с тёмной материей

Подтверждение теории может объяснить и загадки космоса, например, например тёмную материю. Причина в том, что физические свойства битов информации очень похожи на свойства тёмной материи: те же частицы небольшой массы без заряда и спина, поясняет Вопсон.

«Нам необходимо смотреть на космологические модели и пробовать встроить этот новый компонент, чтобы объяснить динамику галактик и ускоренное расширение Вселенной», — считает он. Возможно, дополнительная масса информации, содержащейся в элементарных частицах, и есть та самая недостающая тёмная материя.

Его предварительные расчёты показывают: 10⁹³ битов информации могли бы объяснить всё «недостающее» количество материи. Недостающая часть — это тёмная материя, которую пока сложно обнаружить, так как она не взаимодействует с электромагнитным излучением.

Симуляция реальности

Подтверждение того, что информация является пятым состоянием материи, затрагивает ещё одну дерзкую идею: Вселенная может быть компьютерной симуляцией, а гравитация — доказательством этой гипотезы.

Учёные и раньше выдвигали гипотезу симуляции как умственное упражнение, но последняя статья Вопсона в AIP Advances за апрель идёт дальше: в ней гравитация описывается как механизм, который заставляет информацию переходить из хаоса в порядок.

Если информация действительно является ключевым компонентом Вселенной, возможно, где-то существует компьютер, который и запускает наш мир как симуляцию.

Краткий чек-лист по теме:

5 причин, почему информация может быть материей

1⃣ У информации, возможно, есть масса

• 1 бит информации весит ≈ 3,19 × 10⁻³⁸ кг.

• Стирание 1 ТБ данных уменьшает массу накопителя так же, как если бы исчез один протон.

2⃣ Частицы содержат «информационное ДНК»

• Каждая элементарная частица хранит ≈ 1,5 бита (масса, заряд, спин).

• Вселенная = ~6 × 10⁸⁰ битов информации.

3⃣ Информационный взрыв

• 500 млн твитов и 294 млрд писем в день.

• К 2025 году: 175 зеттабайт данных.

• Через 350 лет цифровых битов станет больше, чем атомов на Земле.

4⃣ Тёмная материя = информация?

• «Биты массы» ведут себя как частицы без заряда и спина.

• 10⁹³ битов могут объяснить всю недостающую тёмную материю.

5⃣ Мы живём в симуляции?

• Если информация — пятое состояние материи, то гравитация может быть механизмом, который «упорядочивает» её. Возможно, наша Вселенная — это компьютерная программа.

Заключение

Эксперимент Мелвина Вопсона может изменить науку, перевернув представления о природе информации. Если она действительно имеет массу и является пятым состоянием материи, это объяснит природу тёмной материи, поможет справиться с проблемой хранения данных и, возможно, заставит нас по-новому взглянуть на саму реальность. А вы как думаете, мы живём в «Матрице»?

^{Обложка: shutterstock.com}

^{Источник статьи: Information Could Be the Fifth State of Matter, Proving We Live in a Simulation}