Fin dall'inizio dell'era digitale (circa negli anni '70), i fisici teorici hanno speculato sulla possibile connessione tra l'informazione e l'Universo fisico. Considerando che tutta la materia è costituita da informazioni che descrivono lo stato di un sistema quantistico (noto anche come informazione quantistica), e le informazioni genetiche sono codificate nel nostro DNA, non è affatto azzardato pensare che la realtà fisica possa essere espressa in termini di dati .
Ciò ha portato a molti esperimenti mentali e paradossi, in cui i ricercatori hanno tentato di stimare la capacità di informazione del cosmo. In uno studio recente, il Dr. Melvin M. Vopson – un matematico e docente senior presso Università di Portsmouth – ha offerto nuove stime di quante informazioni sono codificate? in tutta la materia barionica (aka. ordinaria o materia 'luminosa') nell'Universo.
Lo studio che descrive i risultati della sua ricerca è apparso di recente sulla rivista scientificaAIP avanza,una pubblicazione curata dal Istituto Americano di Fisica (AIP). Sebbene siano state fatte stime precedenti sulla quantità di informazioni codificate nell'Universo, Vopson's è la prima a fare affidamento sulla Teoria dell'informazione (IT), un campo di studio che si occupa della trasmissione, elaborazione, estrazione e utilizzo delle informazioni.
Illustrazione dei dati provenienti dalla regione centrale della Via Lattea. Credito: UCLA SETI Group/Yuri Beletsky, Osservatorio Carnegie Las Campanas
Questo nuovo approccio gli ha permesso di affrontare le domande derivanti dall'informatica, vale a dire: 'Perché ci sono informazioni memorizzate nell'universo e dove si trovano?' e 'Quante informazioni sono memorizzate nell'universo?' Come ha spiegato Vopson in un recente Comunicato stampa AIP :
“La capacità di informazione dell'universo è stata oggetto di dibattito per oltre mezzo secolo. Ci sono stati vari tentativi di stimare il contenuto di informazioni dell'universo, ma in questo articolo descrivo un approccio unico che postula inoltre quanta informazione potrebbe essere compressa in una singola particella elementare.
Mentre ricerche simili hanno studiato la possibilità che l'informazione sia fisica e possa essere misurata, il preciso significato fisico di questa relazione è rimasto sfuggente. Sperando di risolvere questa domanda, Vopson si è affidato al lavoro del famoso matematico, ingegnere elettrico e crittografo Claude Shannon, chiamato il 'Padre dell'era digitale' a causa del suo lavoro pionieristico nella teoria dell'informazione.
Shannon ha definito il suo metodo per quantificare le informazioni in un articolo del 1948 intitolato ' Una teoria matematica di comunicazione ”, che ha portato all'adozione del “bit” (termine introdotto da Shannon) come unità di misura. Non era la prima volta che Vopson si occupava di IT e di dati codificati fisicamente. In precedenza, si è occupato di come la natura fisica delle informazioni possa essere estrapolata per produrre stime sulla massa dei dati stessi.
Questo è stato descritto nel suo articolo del 2019, “ Ilmassa-energia-informazioniprincipio di equivalenza ', che estende le teorie di Einstein sull'interrelazione tra materia ed energia ai dati stessi. Coerentemente con l'IT, lo studio di Vopson si basava sul principio che le informazioni sono fisiche e che tutti i sistemi fisici possono registrare le informazioni. Ha concluso che la massa di un singolo bit di informazione a temperatura ambiente (300 K) è 3,19 × 10-38kg (8,598 x 10-38libbre).
L'informazione quantistica è uno dei modi in cui l'Universo fisico può essere espresso in dati.Credito: Università di Nottingham
Prendendo ulteriormente il metodo di Shannon, Vopson ha determinato che ogni particella elementare nell'Universo osservabile ha l'equivalente di 1.509 bit di informazioni codificate. 'È la prima volta che questo approccio viene adottato per misurare il contenuto informativo dell'universo e fornisce una chiara previsione numerica', ha affermato. 'Anche se non del tutto accurata, la previsione numerica offre una potenziale strada verso i test sperimentali'.
In primo luogo, Vopson ha impiegato il noto numero di Eddington, che si riferisce al numero totale di protoni nell'Universo osservabile (le stime attuali lo collocano a 1080). Da ciò Vopson derivò una formula per ottenere il numero di tutte le particelle elementari del cosmo. Ha quindi aggiustato le sue stime per quanto ciascuna particella conterrebbe in base alla temperatura della materia osservabile (stelle, pianeti, mezzo interstellare, ecc.)
Da questo, Vopson ha calcolato che la quantità complessiva di informazioni codificate è equivalente a 6×1080bit. Per dirla in termini computazionali, questo numero di bit equivale a 7,5 × 1059zettabyte o 7,5 ottodecilioni di zettabyte. Confrontalo con la quantità di dati che è stata prodotta in tutto il mondo durante l'anno 2020: 64,2 zettabyte. Inutile dire che questa è una differenza che può essere descritta solo come 'astronomica'.
Questi risultati si basano su studi precedenti di Vopson, che ha postulato che l'informazione è il quinto stato della materia (insieme a solido, liquido, gas e plasma) e che la stessa materia oscura potrebbe essere informazione. Sono anche coerenti con molte ricerche condotte negli ultimi anni, tutte che hanno tentato di far luce su come interagiscono le informazioni e le leggi della fisica.
Ciò include il modo in cui le informazioni escono da un buco nero, noto come 'Black Hole Information Paradox', e derivano dal fatto che i buchi neri emettono radiazioni. Ciò significa che i buchi neri perdono massa nel tempo e non conservano le informazioni sulla materia in caduta (come si credeva in precedenza). Entrambe le scoperte sono attribuite a Stephen Hawking, che per primo scoprì questo fenomeno, giustamente chiamato ' Radiazione di Hawking . '
Ciò solleva anche la teoria olografica, un principio della teoria delle stringhe e della gravità quantistica che ipotizza che la realtà fisica derivi dall'informazione, come un ologramma nasce da un proiettore. E c'è l'interpretazione più radicale di questa nota come teoria della simulazione, che postula che l'intero Universo sia una gigantesca simulazione al computer, forse creata da una specie altamente avanzata per tenerci tutti contenuti (generalmente nota come ' Ipotesi del planetario . ”)
Come previsto, questa teoria presenta alcuni problemi, come il modo in cui l'antimateria ei neutrini si inseriscono nell'equazione. Fa anche alcune ipotesi su come le informazioni vengono trasferite e archiviate nel nostro Universo per ottenere valori concreti. Tuttavia, offre un mezzo molto innovativo e completamente nuovo per stimare il contenuto informativo dell'Universo, dalle particelle elementari alla materia visibile nel suo insieme.
Insieme alle teorie di Vopson sull'informazione che costituisce il primo stato della materia (o la stessa materia oscura), questa ricerca offre una base su cui gli studi futuri possono basarsi, testare e falsificare. Inoltre, le implicazioni a lungo termine di questa ricerca includono una possibile spiegazione della gravità quantistica e le risoluzioni di vari paradossi.
Ulteriori letture: AIP , I progressi dell'AIP