- Informatie zou de vijfde toestand van materie kunnen worden, naast gas, plasma, vloeistof en vaste toestanden.
- Een wetenschapper heeft een experiment voorgesteld met deeltjesvernietiging dat zou kunnen aantonen dat informatie echt massa heeft.
- Als het experiment slaagt, kan het licht werpen op de mysterieuze donkere materie in ons universum – en ons helpen de toekomst van gegevensopslag te beheren.
Informatie proberen te begrijpen is een universele dagelijkse ervaring. voor natuurkundige Melvin Vopson, dit streven gaat veel verder dan het alledaagse – hij probeert te bewijzen dat informatie een fysieke aanwezigheid heeft. Het is een zware taak die kan leiden tot nieuwe inzichten over hoe we de toekomst van informatieopslag kunnen managen. Het kan ook leiden tot een fundamentele verschuiving in hoe we over het universum denken.
Vopson, die informatietheorie studeert aan de Universiteit van Portsmouth in het Verenigd Koninkrijk, wil met een experiment bevestigen dat elementaire deeltjes een meetbare massa hebben. Het zou gaan om een annihilatieproces van materie en antimaterie dat een bundel positronen op elektronen in een stuk metaal zou afschieten. Positronen en elektronen zijn beide subatomaire deeltjes, met dezelfde massa en grootte van lading. Positietronen zijn echter positief geladen en elektronen zijn negatief geladen. Een metalen plaat heeft veel vrije elektronen, waardoor de kans op een botsing met de binnenkomende positronen groter wordt.
Vopson stelt voor dat een positron-elektronenannihilatie energie zou moeten produceren die gelijk is aan de massa’s van de twee deeltjes. Het moet ook een extra scheutje energie produceren: twee infrarood fotonen met lage energie van een specifieke golflengte (voorspeld ongeveer 50 micron), als direct gevolg van het wissen van de informatie-inhoud van de deeltjes. Fotonen zijn deeltjes van elektromagnetische straling.
Er is geen grootschalige deeltjesversneller of deeltjesversneller nodig, zegt Vopson. “In feite hebben we nogal trage positronen nodig, dus de grootste uitdaging is om ze te vertragen bij thermische snelheden. Het experiment is uitdagend, maar niet onhaalbaar.” De infraroodfotonen hebben zeer specifieke markeringen, dus ze moeten gemakkelijk te onderscheiden zijn van andere energie die de deeltjes uitstralen.
Vopson hoopt samen te werken met andere wetenschappers om dit experiment uit te voeren. Als het lukt, zou het hypothetische ideeën bevestigen over de energie en massa van informatie en hoe deze zich verhoudt tot het fysieke universum.
Een nieuw concept van materie
De massa-energie-informatie-equivalentieprincipe Vopson heeft voorgesteld in zijn 2019 AIP-vooruitgang papier gaat ervan uit dat een digitale informatiebit – die tegenwoordig wordt gebruikt voor digitale gegevensopslag – niet alleen fysiek is, maar een “eindige en kwantificeerbare massa heeft terwijl het informatie opslaat”. Deze zeer kleine massa is 3,19 × 10-38 kilogram bij kamertemperatuur.
Vopson veronderstelt dat als je dat stukje informatie wist, je een kleine hoeveelheid massa zou verliezen, en dus een equivalente hoeveelheid energie. Als u bijvoorbeeld één terabyte aan gegevens van een opslagapparaat wist, zou de massa met 2,5 × 10 afnemen-25 kilogram, een massa die zo klein is dat hij alleen kan worden vergeleken met de massa van een proton, die ongeveer 1,67 × 10 is-27 kilogram.
Deze ideeën van massa-energie-equivalentie zijn niet nieuw. 1961, Rolf Landauer stelde eerst het idee voor dat een bit fysiek is en een goed gedefinieerde energie heeft. Wanneer een bit informatie wordt gewist, dissipeert het bit een meetbare hoeveelheid energie. Jaren voordat dit concept van informatie in beeld kwam, stelde Albert Einstein vast dat massa gelijk staat aan energie.
Wetenschappers geloven dat de waarneembare materie in het heelal een specifieke informatie-inhoud heeft. Typische atomen, die protonen, elektronen en neutronen bevatten, bevatten bijvoorbeeld niet alleen de gecombineerde massa’s van deze subatomaire deeltjes, maar ook de minuscule massa’s van de informatie die ze nodig hebben om met elkaar en de rest van het universum in wisselwerking te staan. Dit soort informatie zou volgens Vopsons paper als het ‘DNA’ van de deeltjes kunnen worden beschouwd.
Wanneer ze worden gecombineerd, doen de twee “informatievermoedens” specifieke voorspellingen over de hoeveelheid informatie in het universum. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld geschat dat een enkel deeltje 1.509 bits aan informatie bevat, die kenmerken als de massa, lading en spin van het deeltje vertegenwoordigen. Toen ze de informatie van dit enkele deeltje vermenigvuldigden met ongeveer alle deeltjes in het universum (bekend als het Eddington-getal), kwamen ze uit op een schatting van 6,036 x 1080 stukjes informatie in het universum. (Dit is slechts één berekende schatting.)
Als het voorgestelde experiment van Vopson uitpakt zoals hij verwacht, zou het het bestaan van informatie bewijzen als de vijfde toestand van materie in het universum, samen met gas, plasma, vloeistof en vaste toestanden.
“Het zal diepgaander aantonen dat ons universum wiskundig is en het zou een brug slaan tussen wiskunde, informatica en het materiële [or] fysieke wereld,” vertelt Vopson Populaire mechanica in een e-mail. “Dit kan de manier waarop we naar alles in de natuurkunde en andere wetenschappen kijken radicaal veranderen. Deze nieuwe component van materie in het universum zou de ontbrekende schakel kunnen zijn bij het verklaren van zoveel onverklaarde verschijnselen, waaronder donkere materie en donkere energie.”
“De informatieramp”
Op deze manier over informatie denken heeft ook een praktische kant; het zou ons kunnen helpen bij het ontwerpen van betere technologieën voor digitale informatieopslag, zegt Vopson. Het eerste digitale opslagapparaat was de magnetische harde schijf, uitgevonden in 1956. Het codeert informatie als binaire gegevens in enen en nullen, of bits (acht bits vormen een byte). De breedte van digitale bits ligt tegenwoordig tussen de tien en 30 nanometer, en we kunnen aannemen dat hoe kleiner een fysiek bit is, hoe meer bits een opslagapparaat kan bevatten.
De hoeveelheid informatie die we tegenwoordig hebben is onthutsend. “Elke dag op aarde genereren we 500 miljoen tweets, 294 miljard e-mails, 4 miljoen gigabyte aan Facebook-gegevens, 65 miljard WhatsApp-berichten en 720.000 uur aan nieuwe inhoud die dagelijks op YouTube wordt toegevoegd”, aldus een artikel dat Vopson schreef voor de Wereld Economisch Forum.
De totale hoeveelheid data “gemaakt, vastgelegd, gekopieerd en geconsumeerd in de wereld” bedroeg 59 zettabyte in 2020, schrijft Vopson in het artikel. Een zettabyte is 8.000.000.000.000.000.000.000 bits. The International Data Corporation, een wereldwijde leverancier van marktinformatie voor informatietechnologie en communicatie, voorspelt dat dit aantal zal groeien tot 175 zettabyte in 2025. Met andere woorden, we creëren nieuwe informatie met zo’n duizelingwekkende snelheid dat we over 350 jaar meer digitale bits zullen creëren dan alle atomen op aarde, een theorie die onderzoekers als Vopson noemen “de informatie ramp.” In ongeveer 110 jaar“het vermogen dat nodig is om deze digitale productie in stand te houden, zal het totale planetaire energieverbruik van vandaag overtreffen.”
De vraag is, wat zou uiteindelijk de materiële vorm van gegevensopslag beperken? De redenering in het studiegebied van Vopson is dat “de kleinste theoretische grootte van digitale bits de elementaire deeltjes zouden moeten zijn, aangezien ze de kleinste bekende bouwstenen van materie in het universum zijn”, aldus zijn februari 2022. papier gepubliceerd in AIP-vooruitgang. Dit zijn de kleinste stukjes materie die stabiel zijn en op zichzelf bestaan.
Bewijzen dat informatie massa heeft door middel van fysieke experimenten is de eerste stap op weg naar het vinden van een mogelijke oplossing voor het probleem van explosieve informatiegroei.
Voorbij onze aardse problemen
VICTOR HABBICK VISIES/WETENSCHAP FOTOBIBLIOTHEEKGetty Images
Bewijzen dat informatie massa heeft, kan mysteries zoals donkere materie verklaren. Dat komt omdat de fysieke eigenschappen van de stukjes informatie lijken op wat donkere materie lijkt te zijn: kleine stukjes massadeeltjes zonder lading of spin, zegt Vopson.
“We moeten absoluut naar kosmologische modellen kijken en proberen deze nieuwe component in te pluggen om de dynamiek van de sterrenstelsels en de versnelde uitdijing van het universum te verklaren”, zegt hij. Misschien kan de extra massa van de informatie in de meest basale deeltjes de massa donkere materie verklaren.
Zijn eerste, ruwe berekeningen geven aan dat 10 tot de macht van 93 bits informatie alle “ontbrekende” donkere materie zou verklaren.
En het bevestigen dat informatie de vijfde staat van materie is, raakt aan een raar idee: dat het universum eigenlijk een computersimulatie is. Als academische oefening hebben wetenschappers stelde dit idee eerder voor. Als informatie inderdaad een belangrijk onderdeel is van alles in het universum, dan draait misschien ergens een computer onze hele wereld als simulatie.
Noot van de redactie: een eerdere versie van dit artikel identificeerde de massa’s van een digitale informatiebit, een terabyte aan gegevens en een proton verkeerd vanwege een ontbrekend negatief teken. Deze cijfers zijn gecorrigeerd.
Deze inhoud is gemaakt en onderhouden door een derde partij en geïmporteerd op deze pagina om gebruikers te helpen hun e-mailadressen te verstrekken. Mogelijk vindt u meer informatie over deze en soortgelijke inhoud op piano.io
