10的80次方比特！科学家首次计算出宇宙中包含的总信息量

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  新智元报道  

来源：网络

编辑：小咸鱼

【新智元导读】长期以来，研究人员一直认为信息与宇宙之间存在联系，希望探索如何将信息在物质世界中编码。解决这些问题可以在物理和计算的多个分支中催生出实际应用。朴茨茅斯大学的研究人员试图阐明这些信息到底有多少，并给出了宇宙中所有可见物质中编码信息量的数值估计：大约是6.036 × 10^80比特。

今年，「元宇宙」这个概念可是火的不要不要的。

Facebook积极招兵买马，招揽数千工程师全力奋战「元宇宙」，甚至连自己「Facebook」的名字都要改掉，足以看出其全面转型，构建与真实世界共存的虚拟世界的决心。

 

国内的科技大厂也没闲着，纷纷在「元宇宙」相关的VR、AR、显示头盔等领域布局。

 

所有的这些探索都是希望再造一个虚拟的世界，将它与我们真实的世界相融合。

 

但是，有没有一种可能，我们真实的宇宙其实本来就是一个「数字宇宙」呢？

 

还真有人提到过这个问题。

 

2018年，马斯克就曾在节目中说，他相信人类可能生活在一个巨大且先进的「矩阵模拟」中。

 

 

2020年，加拿大蒙特利尔大学的研究人员刊文称，一个类似德雷克方程的公式，可以计算我们生存在这一「模拟」中的可能性。

 

照这么看，我们的宇宙就好像一个巨大的计算机系统，宇宙里的每个星球，每点尘埃，每朵花，每片云，甚至每个人，都像是一串数字的代码，包含有自己的独特信息。

 

 

那么问题来了，宇宙中的「信息」该怎么样去衡量呢？

 

宇宙中有第五种物质形态？

 

20世纪20年代末以来，与物理测量、物质以及宇宙的信息内容相关的问题一直是科学争论的话题。

 

随着数字计算机、数字技术和数字数据存储的出现，信息物理的话题进入了一个新的时代。

 

1961年，Landauer首次提出热力学和信息之间的联系，证明数字信息不仅仅是一个抽象的数学实体，它实际上是物理的。

 

后来，Landauer推测宇宙可能是一台模拟自身的巨型计算机，Lloyd之后的研究进一步发展了这一观点。

 

 

随着「质量-能量-信息」等效原理的发表，Melvin M.Vopson假设「信息」是宇宙中除固体、液体、气体和等离子体之外的第五种主要物质形式。

 

这一激进的理论的观点是信息由物理系统注册，所有物理系统也都可以注册信息。

 

因此，无论人们能不能观测到宇宙中的「信息」，宇宙中应该是储存着一定数量的信息的。

 

如果宇宙中「信息」真的存在，那宇宙中储存着的信息在哪里？还有，宇宙中储存了多少信息？

 

「信息」何来？ 

为了回答这个问题，让我们想象观察和分析一个随机的基本粒子。

 

假设这个粒子是一个在真空中运动的自由电子，但是你对这个粒子及其性质没有先验知识。

 

在追踪粒子并开始研究后，通过细致的测量确定粒子的质量为9.109 × 10^–31千克，电荷为1.602 × 10^–19 C，旋转1/2。

 

 

如果被观察的粒子是已经发现过的，那么在这种情况下，不就可以把它的属性与「电子」相匹配了，对吧？

 

这里关键的一点是，观察和测量的过程中，观察者并没有产生任何信息。

 

所以，描述电子或任何基本粒子的三个自由度已经嵌入了粒子本身。

 

这相当于说粒子和基本粒子储存了关于自身的信息，那么，通过外推法，信息储存在宇宙的物质中。

「信息」有多少？

怎么解答「宇宙中有多少信息」这个问题呢？

 

既然每个粒子都嵌入了自己的信息，那么用每个粒子的信息乘以宇宙中的粒子数，不就知道答案了吗？

 

每个基本粒子的信息含量

 

从观察一个事件的发生中提取的信息量，可以用1948年发表的香农信息论来估计。

 

 

对于发生概率为p，从观察事件中提取的信息I（p）是：

 

对于信息的二进制位，b = 2。

 

让我们假设一组n个独立而独特的事件集合X = { x1，x2，…，xn }，具有概率分布P = { p1，p2，…，pn }。

 

每个事件xj可能发生的概率pj = p（xj），其中pj≥ 0，。

 

根据香农的说法，每个事件的平均信息，可以在观察集合X时计算H（X）：

 

举个例子，掷硬币是一个对应0或1（正或反）的双态系统。因此，n = 2，X = { 0，1 }。

 

 

假设系统上没有外部作用，那么这两种状态具有相等的概率，pj=1/n=1/2，p={ 1/2, 1/2 }。

 

那么，这个系统的信息熵是H（X） = 1，表示在此过程中编码了1位信息，这也正好对应掷硬币的结果有1位信息：是正面，而不是反面。

 

Vopson用同样的方法来估计宇宙中物质的信息含量，获得每个基本粒子编码了1.509比特的信息这一结论。

 

既然已知可观测宇宙中每个基本粒子的信息含量，那么如果知道有多少粒子，就可以计算出宇宙中物质存储的全部信息。

 

宇宙中粒子的总数

 

在计算宇宙中的粒子总数时，Vopson推导的公式精确地再现了众所周知的爱丁顿数，即可观测宇宙中质子的总数。

 

最终的计算表明，可观测的宇宙包含 4 × 10^80个粒子，这与爱丁顿给出的质子数很吻合。

 

 

所以，每个粒子储存1.509比特的信息，可观测宇宙中物质的总信息含量为6.036 × 10^80比特，这个值比前人的估计值要低不少。

 

独特的「第一次」

「这是第一次采用这种方法来测量宇宙的信息含量，它提供了一个清晰的数字预测」，Vopson说，「即使不完全准确，数值预测也为实验测试提供了一条潜在的途径」。

 

 

虽然这项研究中的方法忽略了反粒子和中微子，并对信息传递和存储做了某些假设，但它为估计每个基本粒子的信息含量提供了一个独特的工具。

 

而实际实验可以用来测试和完善这些预测，包括继续探索信息是否是宇宙中物质的第五种状态这一假设。

参考资料：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0064475 

https://scitechdaily.com/physicist-quantifies-amount-of-information-in-entire-visible-universe/