Czy informacja jest piątą formą materii?
„Odkrycie” ciemnej materii
Możemy stwierdzić, ile materii znajduje się we wszechświecie, na podstawie ruchów gwiazd . W latach dwudziestych fizycy próbujący to zrobić odkryli rozbieżność i doszli do wniosku, że we wszechświecie musi być więcej materii, niż jest wykrywalne. Jak to może być?
W 1933 roku szwajcarski astronom Fritz Zwicky, obserwując ruch galaktyk w Gromadzie Warkocza , zaczął się zastanawiać, co trzyma je razem. Nie było wystarczającej masy, żeby galaktyki nie rozleciały się. Zwicky zasugerował, że jakiś rodzaj ciemnej materii zapewnia spójność. Ale ponieważ nie miał dowodów, jego teoria została szybko odrzucona.
Następnie, w 1968 roku, astronom Vera Rubin dokonała podobnego odkrycia. Studiowała Galaktykę Andromedy w Obserwatorium Kitt Peak w górach południowej Arizony, kiedy natknęła się na coś, co ją zdziwiło. Rubin badał krzywą rotacji Andromedy, czyli prędkość, z jaką obracają się gwiazdy wokół środka, i zdał sobie sprawę, że gwiazdy na zewnętrznych krawędziach poruszają się z dokładnie taką samą prędkością jak te we wnętrzu, łamiąc prawa ruchu Newtona . Oznaczało to, że w galaktyce było więcej materii, niż było to możliwe do wykrycia. Jej odczyty z kart perforowanych są dziś uważane za pierwszy dowód na istnienie ciemnej materii.
W latach 70. badano wiele innych galaktyk. W każdym przypadku zaobserwowano to samo zjawisko. Obecnie uważa się, że ciemna materia stanowi do 27% wszechświata. „Normalna” czyli materia barionowa stanowi zaledwie 5%. To jest materiał, który możemy wykryć. Ciemna energia, której również nie możemy wykryć, stanowi 68%.
Ciemna energia odpowiada za stałą Hubble'a, czyli tempo, w jakim wszechświat się rozszerza. Z drugiej strony ciemna materia wpływa na to, jak „normalna” materia zbija się razem. Stabilizuje gromady galaktyk. Wpływa również na kształt galaktyk, ich krzywe rotacji i sposób poruszania się w nich gwiazd. Ciemna materia wpływa nawet na wzajemne oddziaływanie galaktyk.
Wiodące teorie dotyczące ciemnej materii
Od lat 70. astronomowie i fizycy nie byli w stanie zidentyfikować żadnych dowodów na istnienie ciemnej materii. Jedna z teorii głosi, że wszystko jest związane z obiektami związanymi z przestrzenią zwanymi MACHO (Massive Compact Halo Objects). Należą do nich czarne dziury, supermasywne czarne dziury, brązowe karły i gwiazdy neutronowe.
Inna teoria mówi, że ciemna materia składa się z rodzaju materii niebarionowej, zwanej WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Materia barionowa składa się z barionów, takich jak protony i neutrony oraz wszystkiego, co się z nich składa, czyli wszystkiego, co ma jądro atomowe . Elektrony, neutrina, miony i cząstki tau nie są jednak barionami, ale klasą cząstek zwaną leptonami . Nawet jeśli (hipotetyczny) WIMPS miałby masę od dziesięciu do stu razy większej od protonu, ich interakcje z normalną materią byłyby słabe, co utrudniałoby ich wykrycie.
Są też wspomniane wyżej neutrina. Czy wiesz, że gigantyczne ich strumienie przechodzą ze Słońca przez Ziemię każdego dnia, a my nigdy tego nie zauważamy? Są przedmiotem innej teorii, która mówi, że neutralne neutrina, które oddziałują tylko z normalną materią poprzez grawitację, są tym, z czego składa się ciemna materia. Inni kandydaci to dwie teoretyczne cząstki, obojętny aksjon i nienaładowany fotino.
Teraz jeden fizyk teoretyczny przedstawia jeszcze bardziej radykalne pojęcie. A jeśli ciemna materia w ogóle nie istniała? Dr Melvin Vopson z Uniwersytetu Portsmouth w Wielkiej Brytanii ma hipotezę, którą nazywa równoważnością informacji o energii masowej. Stwierdza, że informacja jest podstawowym budulcem wszechświata i ma masę. To wyjaśnia brakującą masę w galaktykach, całkowicie eliminując w ten sposób hipotezę o ciemnej materii.
Teoria informacji
Żeby było jasne, pomysł, że informacja jest podstawowym budulcem wszechświata, nie jest nowy. Klasyczna teoria informacji została po raz pierwszy wysunięta przez Claude'a Elwooda Shannona, "ojca ery cyfrowej" w połowie XX wieku. Matematyk i inżynier, dobrze znany w kręgach naukowych, ale nie tak bardzo poza nimi, miał przebłysk geniuszu w 1940 roku. Zdał sobie sprawę, że algebra Boole'a doskonale pokrywa się z obwodami telefonicznymi. Wkrótce udowodnił, że matematykę można wykorzystać do projektowania systemów elektrycznych.
Shannon został zatrudniony w Bell Labs, aby dowiedzieć się, jak przesyłać informacje za pomocą systemu przewodów. Napisał Biblię na temat wykorzystania matematyki do tworzenia systemów komunikacji, kładąc tym samym podwaliny pod erę cyfrową. Shannon był również pierwszym, który zdefiniował jedną jednostkę informacji jako bit.
Chyba nie było większego zwolennika teorii informacji niż inny niedoceniany wzór nauki, John Archibald Wheeler . Wheeler był częścią Projektu Manhattan, opracował „S-Matrix” z Nielsem Bohrem i pomógł Einsteinowi opracować zunifikowaną teorię fizyki. W późniejszych latach głosił: „Wszystko jest informacją”. Następnie zajął się badaniem powiązań między mechaniką kwantową a teorią informacji.
Ukuł także zwrot „to z bitu” lub że każda cząstka we wszechświecie emanuje z informacji w niej zamkniętych. W Instytucie Santa Fe w 1989 roku Wheeler ogłosił, że wszystko, od cząstek, przez siły, po samą tkankę czasoprzestrzeni „… wywodzi swoją funkcję, znaczenie, samo istnienie całkowicie… z aparatury wywołanej odpowiedziami na pytania „tak lub nie”. , wybory binarne, bity ”.
Po części Einstein, po części Landauer
Vopson idzie o krok dalej. Mówi, że nie tylko informacja jest podstawową jednostką wszechświata, ale także, że jest energią i ma masę. Aby poprzeć to twierdzenie, ujednolica i koordynuje szczególną teorię względności z zasadą Landauera . Ten ostatni nosi imię Rolfa Landauera. W 1961 roku przewidział, że wymazanie nawet jednego bitu informacji uwolni niewielką ilość ciepła, wartość, którą obliczył. Landauer powiedział, że to dowodzi, że informacja jest czymś więcej niż tylko wielkością matematyczną. To łączy informacje z energią. Dzięki eksperymentalnym testom na przestrzeni lat, zasada Landauera utrzymała się.
Vopson mówi: „On [Landauer] najpierw zidentyfikował związek między termodynamiką a informacją, postulując, że logiczna nieodwracalność procesu obliczeniowego implikuje nieodwracalność fizyczną”. Wskazuje to, że informacja jest fizyczna , mówi Vopson, i demonstruje związek między teorią informacji a termodynamiką .
W teorii Vopsona raz wytworzona informacja ma „skończoną i policzalną masę”. Jak dotąd odnosi się to tylko do systemów cyfrowych, ale równie dobrze może mieć zastosowanie do systemów analogowych i biologicznych, a nawet systemów kwantowych lub relatywistyczno-ruchowych. „Względność i mechanika kwantowa są możliwymi przyszłymi kierunkami zasady równoważności masy, energii i informacji”, mówi.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Advances AIP , Vopson nakreśla podstawy matematyczne dla swojej hipotezy. „Jestem pierwszym, który zaproponował mechanizm i fizykę, dzięki której informacja nabiera masy”, powiedział, „a także sformułowałem tę potężną zasadę i zaproponowałem możliwy eksperyment, aby ją przetestować”.
Piąty stan skupienia
Aby zmierzyć masę informacji cyfrowych, zaczynasz od pustego urządzenia do przechowywania danych. Następnie mierzysz jego całkowitą masę za pomocą bardzo czułego aparatu pomiarowego. Następnie wypełniasz go i określasz jego masę. Następnie usuwasz jeden plik i oceniasz go ponownie. Problem polega na tym, że urządzenie do „ultradokładnego pomiaru masy”, o którym mowa w artykule, jeszcze nie istnieje. Byłby to interferometr , coś podobnego do LIGO . A może ultraczuła maszyna ważąca podobna do wagi Kibble .
„Obecnie jestem w trakcie ubiegania się o niewielki grant, którego głównym celem jest zaprojektowanie takiego eksperymentu, a następnie obliczenia, aby sprawdzić, czy wykrycie tych niewielkich zmian masy jest w ogóle możliwe” – mówi Vopson. „Zakładając, że dotacja się powiodła, a szacunki są pozytywne, można by utworzyć większe międzynarodowe konsorcjum, które zajmie się budową instrumentu”. Dodał: „To nie jest eksperyment laboratoryjny na stole warsztatowym i najprawdopodobniej byłby to duży i kosztowny obiekt”. Jeśli w końcu okaże się poprawny, Vopson odkryje piątą formę materii.
Więc jaki jest związek z ciemną materią? Vopson mówi: „MP Gough opublikował artykuł w 2008 r., w którym określił … liczbę bitów informacji, które widzialny wszechświat zawierałby, aby uzupełnić całą brakującą ciemną materię. Wygląda na to, że moje szacunki zawartości bitów informacji we wszechświecie są bardzo zbliżone do jego szacunków”.
NASA pisze: „Ta grafika przedstawia wycinek przypominającej pajęczynę strukturę wszechświata, zwaną „kosmiczną siecią”. Te wielkie włókna składają się głównie z ciemnej materii znajdującej się w przestrzeni między galaktykami”.
Źródło: NASA, ESA i E. Hallman (Uniwersytet Kolorado, Boulder)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz