L’information pourrait être le cinquième état de la matière, prouvant que nous vivons dans une simulation

Essayer de donner un sens à l’information est une expérience quotidienne universelle. Pour le physicien Melvin Vopson, cette poursuite va bien au-delà du banal – il essaie de prouver que l’information a une présence physique. C’est une lourde tâche qui pourrait mener à de nouvelles perspectives sur la façon dont nous pouvons gérer l’avenir du stockage des informations. Cela pourrait également conduire à un changement fondamental dans la façon dont nous pensons à l’univers.

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Vopson, qui étudie la théorie de l’information à l’Université de Portsmouth au Royaume-Uni, veut utiliser une expérience pour confirmer que les particules élémentaires ont une masse mesurable. Cela impliquerait un processus d’annihilation matière-antimatière qui projetterait un faisceau de positrons sur des électrons dans un morceau de métal. Les positrons et les électrons sont tous deux des particules subatomiques, avec la même masse et la même amplitude de charge. Cependant, les positrons sont chargés positivement et les électrons sont chargés négativement. Une feuille de métal contient de nombreux électrons libres, ce qui augmente la probabilité de collision avec les positrons entrants.

Vopson propose qu’une annihilation positon-électron produise une énergie équivalente aux masses des deux particules. Il devrait également produire une dose d’énergie supplémentaire : deux photons infrarouges à faible énergie d’une longueur d’onde spécifique (prévue à environ 50 microns), résultant directement de l’effacement du contenu informatif des particules. Les photons sont des particules de rayonnement électromagnétique.

Aucun accélérateur de particules ou collisionneur de particules à grande échelle n’est nécessaire, dit Vopson. « En fait, nous avons besoin de positrons plutôt lents, donc le principal défi est de les ralentir à des vitesses thermiques. L’expérience est difficile, mais pas irréalisable. » Les photons infrarouges ont des marqueurs très spécifiques, ils devraient donc être faciles à distinguer de toute autre énergie émise par les particules.

Vopson espère collaborer avec d’autres scientifiques pour mener cette expérience. En cas de succès, cela confirmerait des idées hypothétiques sur l’énergie et la masse d’informations et sur leur relation avec l’univers physique.

Un nouveau concept de matière

le principe d’équivalence masse-énergie-information Vopson a proposé dans son 2019 Avances AIP L’article suppose qu’un bit d’information numérique – utilisé pour le stockage de données numériques aujourd’hui – n’est pas seulement physique, mais a une “masse finie et quantifiable pendant qu’il stocke des informations”. Cette très petite masse est de 3,19 × 10³⁸ kilogramme à température ambiante.

Vopson émet l’hypothèse que si vous effacez cette information, vous perdriez une infime quantité de masse, et donc une quantité équivalente d’énergie. Par exemple, si vous effacez un téraoctet de données d’un périphérique de stockage, sa masse diminuerait de 2,5 × 10²⁵ poids, une masse si petite qu’elle ne peut être comparée qu’à la masse d’un proton, qui est d’environ 1,67 × 10²⁷ poids.

Ces idées d’équivalence masse-énergie ne sont pas nouvelles. En 1961, Rolf Landauer a d’abord proposé l’idée qu’un bit est physique et a une énergie bien définie. Lorsqu’un bit d’information est effacé, le bit dissipe une quantité mesurable d’énergie. Des années avant que ce concept d’information n’entre en scène, Albert Einstein a établi que la masse est égale à l’énergie.

Les scientifiques pensent que la matière observable dans l’univers a un contenu informationnel spécifique. Par exemple, des atomes typiques – contenant des protons, des électrons et des neutrons – contiennent non seulement les masses combinées de ces particules subatomiques, mais également les minuscules masses d’informations dont ils ont besoin pour interagir les uns avec les autres et avec le reste de l’univers. Ce type d’information pourrait être considéré comme “l’ADN” des particules, selon l’article de Vopson.

Lorsqu’elles sont combinées, les deux «conjectures d’information» font des prédictions spécifiques sur la masse d’informations dans l’univers. Par exemple, les scientifiques ont estimé qu’une seule particule contient 1 509 bits d’information, représentant des caractéristiques telles que la masse, la charge et le spin de la particule. Lorsqu’ils ont multiplié les informations de cette seule particule par approximativement toutes les particules de l’univers (connues sous le nom de nombre d’Eddington), ils ont abouti à une estimation de 6,036 x 10⁸⁰ éléments d’information dans l’univers. (Ce n’est qu’une estimation calculée.)

Si l’expérience proposée par Vopson se déroule comme il l’attend, cela prouverait l’existence d’informations en tant que cinquième état de la matière dans l’univers, avec les états gazeux, plasma, liquide et solide.

« Plus profondément, cela montrerait que notre univers est mathématique et cela établirait un lien entre les mathématiques, l’informatique et la matière. [or] monde physique », raconte Vopson Mécaniques populaires dans un e-mail. « Cela peut transformer radicalement notre façon de voir tout en physique et dans les autres sciences. Cette nouvelle composante de la matière dans l’univers pourrait être le chaînon manquant pour expliquer tant de phénomènes inexpliqués, notamment la matière noire et l’énergie noire. »

La catastrophe de l’information

Il y a aussi un côté pratique à penser à l’information de cette façon ; cela pourrait nous aider à concevoir de meilleures technologies de stockage d’informations numériques, dit Vopson. Le premier périphérique de stockage numérique était le lecteur de disque dur magnétique, inventé en 1956. Il encode les informations sous forme de données binaires en uns et zéros, ou bits (huit bits forment un octet). La largeur des bits numériques aujourd’hui est comprise entre dix et 30 nanomètres, et nous pouvons supposer que plus un bit physique est petit, plus un périphérique de stockage contiendra de bits.

La quantité d’informations dont nous disposons aujourd’hui est stupéfiante. “Chaque jour sur Terre, nous générons 500 millions de tweets, 294 milliards d’e-mails, 4 millions de gigaoctets de données Facebook, 65 milliards de messages WhatsApp et 720 000 heures de nouveau contenu ajouté quotidiennement sur YouTube, selon un article que Vopson a écrit pour le Forum économique mondial.

La quantité totale de données “créées, capturées, copiées et consommées dans le monde” était de 59 zettaoctets en 2020, écrit Vopson dans l’article. Un zettaoctet correspond à 8 000 000 000 000 000 000 000 bits. The International Data Corporation, un fournisseur mondial d’informations sur le marché des technologies de l’information et des communications, prédit que ce montant passera à 175 zettaoctets d’ici 2025. En d’autres termes, nous créons de nouvelles informations à un rythme si effarant que dans 350 ans, nous créerons plus de bits numériques que tous les atomes sur Terre, une théorie que des chercheurs comme Vopson appellent “la catastrophe de l’information. » À propos 110 ans“La puissance nécessaire pour soutenir cette production numérique dépassera la consommation énergétique planétaire totale aujourd’hui.”

La question est, qu’est-ce qui limiterait finalement la forme matérielle du stockage des données ? Le raisonnement dans le domaine d’étude de Vopson est que “la plus petite taille théorique des bits numériques devrait être les particules élémentaires, car ce sont les plus petits éléments constitutifs connus de la matière dans l’univers”, selon son février 2022. papier Publié dans Avances AIP. Ce sont les plus petits morceaux de matière qui sont stables et existent par eux-mêmes.

Prouver que l’information a une masse par des expériences physiques est la première étape vers la recherche d’une solution possible au problème de la croissance explosive de l’information.

Au-delà de nos problèmes terrestres

VICTOR HABBICK VISIONS / BIBLIOTHEQUE DE PHOTOS SCIENTIFIQUESGetty Images

Prouver que l’information a une masse peut expliquer des mystères comme la matière noire. C’est parce que les propriétés physiques des bits d’information imitent ce que la matière noire semble être – de petits morceaux de particules de masse sans charge ni spin, dit Vopson.

“Nous devons absolument examiner les modèles cosmologiques et essayer de brancher ce nouveau composant pour expliquer la dynamique des galaxies et l’expansion accélérée de l’univers”, dit-il. Peut-être que la masse supplémentaire d’informations contenues dans les particules les plus élémentaires peut expliquer la masse de matière noire.

Ses premiers calculs approximatifs indiquent que 10 à la puissance de 93 bits d’information expliqueraient toute la matière noire “manquante”.

Et confirmer que l’information est le cinquième état de la matière touche à une idée étrange : que l’univers est en fait une simulation informatique. Dans le cadre d’un exercice académique, les scientifiques ont suggéré cette idée avant. Si l’information est en effet un élément clé de tout dans l’univers, alors peut-être qu’un ordinateur quelque part exécute notre monde entier comme une simulation.

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