Намагаючись визначити сутність природи, фізики іноді висувають теорії, що вражають уяву. Наприклад: інформація - поряд із матерією та енергією - є відчутним і фундаментальним аспектом нашої реальності. Або: інформація - це п'ятий стан матерії.
Якщо інформація чимось і є, то вимірюваним усією матерією та енергією. Правила, які керують їхнім існуванням, - маса, швидкість чи заряд, - усе це біти інформації, які вони містять.
Щоб експериментально перевірити цей підхід, фізик Мелвін Вопсон із Портсмутського університету у Великій Британії підрахував, скільки інформації зберігає про себе одна елементарна частинка, наприклад, електрон. Потім він використовував цей розрахунок для оцінки приголомшливої кількості інформації, що міститься у всьому спостережуваному Всесвіті.
"Такий підхід до вимірювання інформаційного вмісту Всесвіту було застосовано вперше, і він дає чітке числове уявлення", - каже Вопсон.
Вопсон підрахував, що кожна частинка у спостережуваному Всесвіті містить 1,509 біта інформації, використовуючи теорію інформації Клода Шеннона.
Ця теорія пов'язує ентропію - кількість невизначеності в системі - з інформацією. Інформативність повідомлення - це міра того, наскільки невизначеність зменшується завдяки повідомленню.
Різні типи повідомлень мають різні значення.
Наприклад, результат (повідомлення) чесного підкидання монети має 1 біт інформації: ця подія - орел, а не решка. Якщо монета була двокопійчаною, то очікуваний результат має 0 біт інформації, бо він не додає нічого нового до того, що ми вже знаємо.
Але якщо монета перекошена в бік і в підсумку випала решка, то такий несподіваний результат дає трохи більше інформації, ніж звичайна подія з 1 бітом: подія - решка, і вона не була очікуваною.
Вопсон застосував аналогічні розрахунки інформаційної ентропії до маси, заряду і спіну протонів, нейтронів (і кварків, що їх складають) і електронів, щоб отримати свою оцінку того, скільки інформації вони зберігають.
Потім він оцінив кількість частинок, зокрема стосовно всього Всесвіту.
У результаті вийшло близько 6 (80 нулів) біт інформації, що насправді нижче, ніж попередні оцінки. Але Вопсон очікував на конкретну цифру, оскільки він обмежив свій розрахунок тільки спостережуваною матерією, виключивши античастинки і світлові бозони.
"Ми розглядали всі бозони як частинки сили/взаємодії, відповідальні за передачу інформації, а не за її зберігання", - пише Вопсон. - Ми постулюємо, що інформація може зберігатися тільки в частинках, які є стабільними і мають ненульову масу спокою, в той час як бозони можуть передавати інформацію тільки у формі хвилі".
Він також не включив нестабільні частинки або античастинки, оскільки їхній час життя надзвичайно малий, "тож їхнє спостереження можливе лише в штучно створених експериментальних умовах або теоретично", - пише він.
Участь таких частинок у спостережуваному Всесвіті нехтувано мала, як і здатність реєструвати інформацію.
"Але важливо зазначити, що інформація може зберігатися і в інших формах, зокрема на поверхні самої тканини простору-часу, відповідно до голографічного принципу".
Ідея про те, що інформація має фізичну природу, існує з 1920-х років. Відтоді експерименти продемонстрували зв'язок між теорією інформації та термодинамікою; виникла дика ідея, що Всесвіт змодельований у 3D з 2D реальності.
"Ці радикальні теорії засновані на принципі, що інформація є фізичною, інформація реєструється фізичними системами, і всі фізичні системи можуть реєструвати інформацію", - пояснює Вопсон.
Ґрунтуючись на цьому, Вопсон раніше запропонував, що інформація може бути п'ятим станом матерії, поряд із твердим, рідким, газом і плазмою, і, що ще дивакуватіше, що інформація може бути темною матерією, за якою полюють фізики.
"Нинішній підхід пропонує унікальний інструмент для оцінювання вмісту інформації елементарною частинкою, що дуже корисно для розроблення практичних експериментів із перевірки цих передбачень", - підсумовує Вопсон.
Якщо світло може бути часткою, а фізичні стани - невизначеними доти, доки не будуть спостерігатися, то чому інформація не може бути фізичною та фундаментальною частиною Всесвіту?
