Физики утверждают, что информация – пятое состояние материи

Информация – это физическое состояние материи.

Вся окружающая нас материя существует в виде твердого тела, жидкости, газа или плазмы. Но по мере того как наша жизнь становится все более оцифрованной, требуется все больше и больше физических веществ, таких как нефть, кремний и углерод, для удовлетворения нашей ненасытной потребности в большей вычислительной мощности и обработке информации.

Принимая во внимание текущую тенденцию ежегодного 50-процентного роста количества производимых цифровых битов, Мелвин Вопсон, физик из Портсмутского университета в Великобритании, предсказал, что количество битов будет равно количеству атомов на Земле примерно через 150 лет. К 2245 году половина массы Земли будет преобразована в цифровую информационную массу, согласно его исследованию, опубликованному сегодня в AIP Advances.

Это просто вопрос времени, когда количество цифровых битов превзойдет количество всех атомов на Земле, будущее, в котором мир превратится в суперкомпьютер размером с планету, – и все это приводит к заманчивой теории: эта информация не отличается от обычной материи. Фактически, говорит Вопсон, эту информацию следует рассматривать как пятое состояние вещества (или шестое, если считать конденсат Бозе-Эйнштейна).

В новом исследовании Вопсон проводит параллели между общей теорией относительности Эйнштейна, которая, среди прочего, утверждает, что масса и энергия эквивалентны и применением Рольфом Лаундером законов термодинамики к теории информации, которая приравнивает информацию к энергии, и наконец, теории информации Шеннона, которая привела к изобретению первого цифрового бита. С точки зрения Шеннона, теория информации — раздел математической теории связи. 

«Поскольку и специальная теория относительности, и принцип Ландауэра оказались верными, весьма вероятно, что новый принцип также окажется верным, хотя в настоящее время это всего лишь теория», – сказал Вопсон.

По словам Вопсона, физики всегда расширяли свое понимание того, что составляет Вселенную. По мере того, как ученые совершенствовали свои сенсорные инструменты и теории, они узнали, что Вселенная состоит не только из барионной материи (частиц), но также из излучения, темной материи и энергии, а также пространства-времени. Информация, хотя и кажется более абстрактной, может естественным образом присоединиться к ним, поскольку она является неотъемлемой частью «как неорганической материи, так и жизни». Хотя информация проявляется во многих форматах, включая аналоговую информацию, информацию, закодированную в биологической ДНК, и цифровую информацию, наиболее фундаментальной формой является двоичный цифровой бит, поскольку он может успешно представлять или дублировать все существующие формы информации. Это также справедливо для квантовой обработки / квантовой информации / q-битов, поскольку конечный результат квантового компьютера все еще находится в двоичном цифровом формате.

«Поскольку существует невероятно большое количество элементарных частиц, составляющих Вселенную, то видимая Вселенная также будет содержать огромное количество цифровых битов, связанных с информационным содержимым этих частиц. Принцип Ландауэра показал, что информация носит физический характер. Принцип эквивалентности массы, энергии и информации экстраполировал это и продемонстрировал, что информация действительно имеет массу. Поскольку с барионной массой во Вселенной связано много информации, то это должно быть огромное количество массы, которая соответствует этой информации. Это основа постулата о том, что информация – это 5-й элемент или 5-я форма материи», – пояснил физик.

Темная материя и информация – это одно и то же?

Но как нечто столь нематериальное, как информация, может иметь массу? В новой статье утверждается, что такое действительно возможно и может проявляться через гравитационные взаимодействия. Фактически, неуловимая темная материя, которую сейчас ищет каждый достойный внимания физик-теоретик, может быть просто информацией.

Читайте также: Черные дыры подобны голограммам

Более 60 лет мы безуспешно пытаемся обнаружить, изолировать или понять, что такое таинственная темная материя во Вселенной. Ее присутствие широко используется для объяснения динамики и стабильности скоплений галактик и их вращения. К сожалению, все попытки изолировать или обнаружить темную материю пока что не увенчались успехом. Фактически, хорошо известно, что распределение материи во Вселенной состоит на 5% из обычной барионной материи, на 27% из темной материи и на 68% из темной энергии. Это равносильно утверждению, что около 5% видимой Вселенной известно, а 95% из нее мы не имеем понятия, из чего она состоит, то есть темной материи и темной энергии. Если принцип эквивалентности массы, энергии и информации верен и информация действительно имеет массу, цифровая информационная вселенная будет содержать ее много.

Значение принципа эквивалентности массы, энергии и информации важно, учитывая скорость, с которой человечество генерирует цифровую информацию. По данным IBM Research, 90% всех данных, созданными людьми до сих пор, были созданы только за последние десять лет.

Фактически, авторы нового исследования использовали консервативные темпы роста для генерации и хранения информации. В действительности скорость генерации информации может ускориться в будущем, как продемонстрировала нынешняя пандемия COVID-19.

Пока цивилизация не рушится из-за изменения климата или термоядерной войны, постоянно расширяющаяся цифровая область, похоже, направляет мир к будущему, в котором наше существование неразрывно связано с компьютерами. Спустя столетие грань между физической реальностью и виртуальной реальностью может быть настолько размытой, что вы не сможете увидеть разницу.

«Сегодня мы переместили банки в интернет и используем цифровые деньги, мы храним все на платформах цифрового хранения, а новые отрасли – это серверы хранения цифровых данных и высокотехнологичные корпорации. Я вижу медленный переход к миру, как это показано во многих научно-фантастических фильмах, где наш базовый комплект шлема виртуальной реальности становится больше похожим на смоделированное киберпространство, возможно, вначале управляемое игровой индустрией, затем выходящими на рынок образованием, туризмом, секс-индустрией, здравоохранением и т. д.… В конечном итоге эти киберпространства объединяются в киберреальность, где люди могут встречаться и заниматься чем-то, ходить на работу в смоделированном кибер-офисном здании и т. д., пока реальный мир не станет неотличимым от смоделированного мира», – сказал Вопсан.

Чтобы вместить больше битов, чем имеется атомов на Земле, способ, которым люди генерируют и хранят информацию, должен коренным образом измениться. На данный момент невозможно сказать, как именно это может произойти – это проблема, которую ученые, живущие через 100–200 лет, должны будут решить. Некоторые идеи могут включать использование нематериальных носителей информации, таких как фотоны, вакуум и голограммы.

«Всем должно быть интересно, потому что прогнозы показывают, что в ближайшем будущем мы будем производить столько цифрового контента, что количество произведенных битов будет равняться всем атомам на Земле. Возникает вопрос: где мы будем хранить эту информацию? Как мы это осуществим? Это тревожный сигнал для индустрии больших данных, интернет-гигантов, высокотехнологичных компаний, исследований в области энергетики и окружающей среды. Я называю это невидимым кризисом, поскольку сегодня это действительно невидимая проблема, но прогнозы показывают другую картину», – заключил Вопсан.  

DOI: 10.1063/5.0019941