Wie viele Informationen gibt es im Universum? Vielleicht haben wir endlich eine Antwort

Jeder Gedanke, den wir haben, alles, was wir sehen, die Anzahl der Sterne am Himmel und die unterschiedlichen Größen von Ameisen im Boden können alle als Informationen betrachtet werden. Einige Wissenschaftler glauben, dass Informationen für die Konstitution unserer physischen Realität so wichtig sind, dass siesollte als grundlegend angesehen werdenSachzustand, neben Gas, Flüssigkeit, Plasma und Feststoffen.

Das Universum als prall gefüllt mit Informationen zu sehen, hat eine weitere potenzielle Auswirkung – wenn alles im Universum Daten sind, ist das Universum dann im Wesentlichen ein riesiger Computer, auf dem ein Programm läuft, das mich und dich umfasst, die gerade diesen Gedanken haben?

Von diesem Standpunkt aus könnte es möglich sein, die Gesamtmenge an Informationen im Universum abzuschätzen, und einige Wissenschaftler haben versucht, eine solche Zahl zu ermitteln.

In a aktueller Artikel veröffentlicht in AIP-Fortschritte vom American Institute of Physics, Melvin M. Vopson, ein Forscher der University of Portsmouth, hat genau berechnet, wie viele Informationen sich im Universum befinden. Wie er in der Zeitung schreibt: “Wir haben festgestellt, dass jedes Teilchen im beobachtbaren Universum 1.509 Informationsbits enthält und es gibt ∼6 × 10^80 Informationsbits, die in allen Materieteilchen des beobachtbaren Universums gespeichert sind."

Wie die Zahlen berechnet wurden

Damit die von Vopson durchgeführte Mathematik einen Sinn ergibt, muss man das vom Forscher formulierte Prinzip in der akzeptieren.Papier dass "Informationen physisch sind, die Informationen von physischen Systemen registriert werden und alle physischen Systeme Informationen registrieren können."

Während die „Informationskapazität“ des Universums seit Jahrzehnten heiß diskutiert wird, unterscheidet sich Vopsons Ansatz darin, sich bei der Schätzung auf Shannons Informationstheorie zu verlassen. Vopson hat eine Formel entwickelt, die die Gesamtzahl der Protonen im beobachtbaren Universum berechnet, die sogenannte Eddington-Zahl. Aus dieser Zahl schätzte der Forscher die Anzahl aller Elementarteilchen im Universum und die Menge an Information über sich selbst, die in jedem Teilchen enthalten ist.

Die von Vopson verwendete Informationstheorie wurde vom Mathematiker Claude Shannon vorgeschlagen, der als "Vater des digitalen Zeitalters" bekannt ist. Shannons Arbeit zur Informationstheorie stammt aus dem Jahr 1948 und skizziert eine Methode zur Quantifizierung von Informationen. Die Theorie bezieht die Entropie, den Betrag der Unsicherheit innerhalb eines Systems, mit Informationen. Nach der Logik der Theorie ist der Informationsgehalt einer Nachricht ein Maß dafür, wieviel Entropie oder Unsicherheit reduziert die Nachricht, wobei verschiedene Nachrichten unterschiedliche Werte haben.

Vopson wandte solche Entropieberechnungen an, um herauszufinden, wie viele Informationen über Masse, Spin und Ladung von Protonen, Neutronen und Elektronen gespeichert werden könnten, bevor die Ergebnisse auf das gesamte Universum extrapoliert wurden.

"Es ist das erste Mal, dass dieser Ansatz zur Messung des Informationsgehalts des Universums verwendet wird und eine klare numerische Vorhersage liefert." erklärt Vopson. "Auch wenn die numerische Vorhersage nicht ganz genau ist, bietet sie einen möglichen Weg zu experimentellen Tests."

Vopsons aktuelle Studie hat einige Einschränkungen, da sie Antiteilchen und Neutrinos nicht berücksichtigt. Sie macht auch einige Annahmen über die Übertragung und Speicherung von Informationen im Universum. Dennoch kann sie als Schätzungsinstrument für weitere Forschung und Praxis dienenExperimente, die mit neueren Arbeiten anderer Forscher auf diesem Gebiet übereinstimmen.

Was sind Informationen?

Während sich die Forscher zunehmend darauf konzentrierten, die genaue Natur von Informationen herauszufinden, blieben sie bisher ein relatives Mysterium. Obwohl wir Informationen auf verschiedene Weise beschreiben können, als bestehend aus Fakten, Beschreibungen von physikalischen Zuständen oder mathematischenFormeln bleibt die Frage – hat es eine physische Präsenz, die gemessen werden kann, wie manche vorschlagen?

Vopson schlug zuvor vor, dass Information ein fünfter Aggregatzustand ist und möglicherweise sogar die mysteriöse dunkle Materie sein könnte, die istgeschätzt um etwa 27 Prozent des bekannten Universums auszumachen. Dies wurde jedoch nicht experimentell bestätigt. Zum Vergleich: normale Materie, zu der du und ich und alles, was wir im Universum beobachten können, umfasst, macht nur fünf Prozent aller Materie aus.

Das Computeruniversum

Vopson ist nicht der Erste, der vermutet, dass Informationen ein wichtiger Baustein der Realität sein könnten. Physiker John Archibald Wheeler beschrieb diese Idee als "it from bit" - wobei "es" alles im Universum ist und "bit" sich auf Informationen bezieht.

Seth Lloyd, ein MIT-Professor, der sich auf Quanteninformationen konzentriert, sieht das Universum als riesigen Computer, rufe es an "ein physikalisches System, das Informationen in Bits zerlegt und diese Bits systematisch umkehrt."

Er verweist auf das Beispiel eines Elektrons, dessen Spin nach der Quantenmechanik einen von zwei Werten annimmt – nach oben oder nach unten. Lloyd vergleicht dies mit Computerbits, den kleinsten Einheiten digitaler Information, die ebenfalls zwei Arten annehmenvon Informationen – entweder eine 0 oder eine 1. Da jedes Elementarteilchen Informationen enthält, enthält auch das Universum, das Lloyd vorschlägt, auch diese Informationen so zu verarbeiten, dass es einem Computer ziemlich ähnlich istnicht einfach wie ein Computer, sondern ist ein Computer, in dem alle Veränderungen im Universum als „Berechnungen“ betrachtet werden könnten.

In seinem Artikel über das „Computational Universe“ eigentlich Lloyd kam hoch mit einer Summe für diese Berechnungen, die geschätzt wird, wie viele „elementare logische Operationen“ das Universum seit seinem Beginn durchgeführt hätte – eine Zahl, die nahe bei 10^120 liegt 10 bis 120. Er hat zuvor auch seine eigene Schätzung entwickelt, wie viele Bits die derzeit im Universum vorhandene Materiemenge enthalten könnte – 10^90 10 bis 90 Bits.

Natürlich hätte der Beweis, dass das Universum ein Computer ist, große philosophische und praktische Implikationen. Eine große Frage – wer programmiert den Computer des Universums? Für Lloyd die Erklärung kann liegen in “kleine zufällige Quantenfluktuationen.“ Er schlägt vor, dass Quantenfluktuationen für alle möglichen physikalischen Phänomene verantwortlich sein können, die das Universum und sogar unsere DNA programmieren, wenn auch mit einem gewissen Maß an ZufälligkeitDiese Zufälligkeit entsteht tatsächlich durch kleine Quantenfluktuationen, die sich als thermische und chemische Fluktuationen tarnen“, erklärt Lloyd und fügt hinzu: „Ihre Gene wurden durch Quantenfluktuationen programmiert.“

Es genügt zu sagen, dass weitere Forschungen auf diesem Gebiet tiefgreifende Konsequenzen für alles haben können, was wir über uns selbst und unser Universum wissen.