Пятый элемент. Экспериментальное подтверждение.

Источник.

Эксперимент, который может подтвердить пятое состояние материи во Вселенной и изменить физику, какой мы её знаем, был опубликован в новой статье Портсмутского университета.

Доктор Мелвин Вопсон, связавший свою деятельность с экспериментальными и теоретическими исследованиями в области прикладной и фундаментальной физики многофункциональных систем и теорией информации, сделал настолько невероятное и даже – на первый взгляд – авантюрное предположение, что даже писатели-фантасты сочли бы его притянутым за уши. Однако… тот же мистер Вопсон разработал эксперимент, который может либо подтвердить, либо опровергнуть его собственную теорию.

Итак, суть в том, – предполагает физик, – что информация имеет массу! Но и это ещё не всё. Он считает также, что, будучи мельчайшими составными частями Вселенной, все элементарные частицы хранят информацию о себе подобно тому, как делают это живые существа посредством своей ДНК!

Эти озарения кажутся неправдоподобными, но они явились результатом строгих научных изысканий, и теперь для понимания вопроса нам следует чуть отвлечься на небольшое предисловие. Зерно его сводится к размышлениям, рассматривающим наблюдаемую Вселенную в роли гигантского устройства хранения данных. Эти, на первый взгляд больше фантазийные, чем научные, выкладки приводят к ожидаемо неординарным выводам и предположениям. Но ирония в том, что часть из них вылилась в две важные информационные гипотезы. Первая – это предложенный ещё 4 года назад принцип эквивалентности массы, энергии и информации, а вторая – информативность наблюдаемой материи во Вселенной, оценить которую удалось уже в 2021 году.

Можно сказать, что эпоха информационных технологий началась с создания первого магнитного жёсткого диска в 1956 году компанией IBM. С тех пор цифровые технологии хранения данных радикально изменили наш быт и образ жизни. Метод двоичного кодирования, которым мы сейчас оперируем, спасает нас в большинстве случаев, а сам набор логических нулей и единиц, называемых битами, обусловил всю эволюцию цифровых решений. Неоспоримым плюсом такого подхода можно считать то, что биты информации могут храниться в любом материале, способном принимать два разных, стабильных и легко переключаемых при необходимости физических состояния. Всё, что нужно – это присвоить одному состоянию значение 0, а другому – 1.

Однако цифровая информация стала настолько повсеместной, что рост производства информации уже, кажется, никак не сдержать. Например, ежедневно генерируются 500 миллионов твитов, 294 миллиарда электронных писем, 65 миллиардов сообщений в WhatsApp и 720 000 часов нового контента на YouTube. А это, как вы понимаете – капля в море. Так, в 2018 году общий объём информационного обмена (имеются в виду как созданные, так и скопированные или как-либо потреблённые/переданные массивы данных) в мире составил 33 зеттабайта (ЗБ). Это 264 × 10²¹ бит (для сравнения: 1ТБ равен примерно 8 × 10¹² бит). Неплохо, да? В 2020 году этот показатель вырос до 59 ЗБ, а по прогнозам на 2025 год будет достигнуто значение в 175 ЗБ.

Такое положение вызвало необходимость в изучении перспектив развития ситуации. И одно из таких исследований недавно дало прелюбопытнейший результат: сегодняшние темпы наращивания объёмов данных примерно через 350 лет, вероятно, приведут нас к так называемой информационной катастрофе: мы создадим больше битов, чем на Земле атомов.

И несмотря на то, что это по сути лишь теория, да и сроки весьма отдалены от дня сегодняшнего, предсказанное явление имеет под собой весьма благодатную почву для исследований и развития научной мысли. А, стало быть, и технологий.

Так, возникла идея попробовать оценить фундаментальный предел объёмов хранения цифровых данных в соответствии с физическими реалиями нашей вселенной и её управляющими законами. Получается, что – учитывая только материальные носители данных! – наименьший размер цифрового бита должен соответствовать (и в некотором смысле воплотиться) наименьшему биту материи, свойствами которого является не только стабильность, но и способность существовать вообще. Исходя из этого, наименьший теоретический размер цифровых битов должен быть у элементарных частиц, раз уж они, насколько мы знаем, являются мельчайшим основанием материи.

Конечно, это теоретический предел, предполагающий, что в далеком будущем будут разработаны технологии хранения данных, позволяющие записывать и считывать цифровые данные, используя в роли носителей элементарные частицы. Да, пока этого не произошло, но предвосхищающее знание о возможных пределах может оказаться довольно поучительным. Сочетая теорию информации и физические принципы термодинамики, эти теоретические предположения сделали возможными конкретные предсказания о массе информации (о чём пойдёт речь далее), а также о наиболее вероятном информационном содержании на элементарную частицу. Так, недавняя оценка перспектив привела к определению верхнего предела вселенной по количеству сохранённой информации примерно в 6 × 10⁸⁰ бит, а с учётом кварков максимальное количество информации, которое можно было сохранить на одну элементарную частицу, составило 1,509 бита.

Однако доктор Вопсон утверждает, что это не просто теоретический верхний предел ёмкости хранения информации, а элементарные частицы хранят информацию о себе на самом деле. Он высказывает идею, что эту информацию можно рассматривать как ДНК частицы или ДНК материи, и что она физически представляет собой различимые степени свободы каждой частицы или чистые квантовые состояния.

Вообще, мысль о том, что бит цифровой информации является физическим и имеет связанную с ним чётко определенную энергию, высказал ещё более полувека назад, в 1961 году, американский физик Рольф Ландауэр. Самое интересное, что этот принцип, названный его именем, не так давно был наконец-то подтверждён экспериментально. А далее включился обыкновенный научный процесс, и в другом исследовании – уже с использованием теории информации Шеннона (раздел прикладной математики, радиотехники и информатики, основанный «отцом информационного века», американским инженером Клодом Шенноном) и термодинамических соображений – принцип Ландауэра был расширен до принципа эквивалентности массы-энергии-информации (M/E/I). А он в свою очередь утверждает, что информация является формой материи, она материальна и может быть идентифицирована по определённой массе на бит во время хранения информации или по рассеянию энергии после операции необратимого стирания информации, как то и диктует принцип Ландауэра.

Подтверждение или опровержение таких теорий считается дисциплинарной необходимостью. А что может быть более однозначным в исследовании какого-либо вопроса, чем результат эксперимента? А пикантности и беспрецедентности этой затее придаёт тот факт, что подтверждение вышеприведённых допущений будет означать, что информация является пятым состоянием вещества наряду с твёрдой, жидкой, газообразной и плазменной агрегатными формами.

«Это был бы момент озарения, потому что он изменил бы физику, какой мы её знаем, и расширил бы наше понимание Вселенной», – заявляет доктор Вопсон.

Предвидя недоумение, он уточняет, что эти его выводы не противоречат «ни одному из существующих законов физики. Это не противоречит квантовой механике, электродинамике, термодинамике или классической механике». Работая старшим преподавателем Школы Математики и Физики, исследователь склонен считать, что всё, что делает его теория, такэто«дополняет физику чем-то новым и невероятно захватывающим».

Предыдущее исследование доктора Вопсона подводит нас к новому восприятию информации. Теперь она не просто набор данных, а настоящий фундаментальный строительный элемент Вселенной, и имеет-таки физическую массу. Кроме того, он пришёл к умозаключению, что информация может оказаться той самой неуловимой тёмной материей, которой сейчас в составе Вселенной учёным миром отводится почти треть.

«Если мы предположим, что информация является физической и имеет массу, и что элементарные частицы имеют ДНК информации о самих себе, как мы можем это доказать? – раскрывает суть задачиВопсон. – Моя последняя статья посвящена проверке этих теорий, дабы научное сообщество могло воспринимать их всерьёз».

Сам же эксперимент строится на том предположении, что столкновение частицы с античастицей позволит обнаружить и измерить количество информации в элементарной частице. Дело в том, что во время такого столкновения, происходит так называемая аннигиляция – участвующие в такой реакции частицы перестают существовать, порождая энергию и другие частицы. Например, как появление фотонов в результате столкновения электронов и позитронов.

 «Информация в электроне в 22 миллиона раз меньше, чем его масса, но мы можем измерить содержание информации, стерев её. – поясняет автор исследования. – Мы знаем, что, когда вы сталкиваете частицу материи с частицей антиматерии, они аннигилируют друг друга. И информация от частицы должна куда-то уйти, когда она аннигилирует».

Тут важно заметить, что в процессе аннигиляции вся оставшаяся масса частиц преобразуется в энергию (обычно это гамма-фотоны). Это означает, что любые частицы, содержащие информацию, будут преобразованы в низкоэнергетические инфракрасные фотоны, что позволяет доктору Вопсону даже предсказывать в своём исследовании точную энергию инфракрасных фотонов в результате стирания информации.

«Когда электрон-позитрон аннигилирует, в дополнение к двум гамма-фотонам с энергией 511 кэВ (килоэлектронвольт), возникающим в результате преобразования их масс покоя в энергию, – пишет учёный, – мы предсказываем, что должны быть обнаружены два дополнительных фотона с низкой энергией в результате стирания их информационного содержания».

По расчётам, при комнатной температуре позитрон-электронная аннигиляция должна производить два инфракрасных фотона с длиной волны около 50 мкм из-за стирания информации. Таким образом, этот эксперимент действительно может подтвердить не только информационные теории и предположения, но и «существование информации как пятого состояния материи во Вселенной».

Учёный делает вывод, что его работа на самом деле способна продемонстрировать ключевую роль информации во вселенной и её повсеместность. Она вездесуща, пронизывает всё, является компонентом всего, что есть – в космосе, в нашем мире и в нас самих. Таким образом, возможно, Мелвин Вопсон заложил основу для рождения новой области физических исследований.

АРМК, по материалам Портсмутского университета.