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如果宇宙是一个大型计算机模拟程序,那它包含多少信息?

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利用质-能-信息等效的原理,信息可能是宇宙中物质的主要形式之一

新浪科技讯 北京时间11月9日消息,一项新研究称,我们目前可见的宇宙可能包含大约6 x 10^80比特的信息。有人认为,这些发现可能暗示了一种可能性,即宇宙实际上是一个巨大的计算机模拟程序。

这是一个令人难以置信的数字,但其背后是一个更加奇怪的假设。60年前,德裔美国物理学家罗夫・兰道尔提出了一种信息和能量之间的等效关系,指出在经典计算机中擦除一个经典比特的信息,会产生少许的热量,而热量正是能量的一种形式。

阿尔伯特・爱因斯坦著名的质能方程E = mc^2表明,能量和物质是彼此的不同形式。因此,英国朴茨茅斯大学的物理学家梅尔文・沃普森曾推测,信息、能量和质量之间可能存在某种关系。

“利用质-能-信息等效的原理,我推测信息可能是宇宙中物质的主要形式之一,”沃普森说道。他还补充道,信息甚至可以解释暗物质,这种神秘物质构成了大部分的宇宙。

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于是,沃普森开始测定单个亚原子粒子(如质子或中子)中的信息量,并认为这些实体完全可以由三个基本特征来描述,即质量、电荷和自旋。他说:“这些特性使基本粒子相互区分,而它们可以被视为‘信息’。”

1948年,美国数学家和工程师克劳德・香农在一篇开创性的论文《一种关于通信的数学理论》(A Mathematical Theory of Communication)中,首次给出了信息的具体定义。在这位信息论的鼻祖看来,信息就是对不确定性的消除。为了度量信息的多少,香农提出了“信息熵”的概念。在研究信息传输的最大效率时,他引入了“比特”(bit)的概念。比特的值可以是0或1,是用来测量信息的单位,就像英尺或米是距离的单位,摄氏度是温度的单位。

利用香农的方程,沃普森计算出一个质子或中子应该包含1.509比特的编码信息。然后,沃普森导出了可观测宇宙中粒子总数的估计――大约为10^80,这与之前的估计一致――从而确定宇宙的总信息量。他的这项研究发表在10月19日的《美国物理联合会进展》(AIP Advances)杂志上。

沃普森表示,即使得出的数字看起来十分巨大,但它仍不足以解释宇宙中的暗物质。在早期的工作中,沃普森估计大约需要10^93比特的信息――比他得到的这个数字大10万亿倍――才能解释整个可见宇宙。

尽管计算出的数字比预期的更小,但沃普森并不确定原因。他的计算集中在质子和中子等粒子上,而忽略了电子、中微子和夸克等实体。根据沃普森的说法,只有质子和中子才能存储关于它们自身的信息。但他也承认,这种假设可能是错误的,也许其他粒子也可以存储关于它们自身的信息。

美国耶鲁大学的天文学家格雷格・劳克林没有参与这项工作,但他表示,这可能就是沃普森的结果与之前对宇宙总信息的估计如此不同的原因,之前的计算结果往往要高得多。“这不是忽略了房间里的大象,而是忽略了房间里的100亿头大象,”劳克林说道,这里的“大象”指的是沃普森的估计中没有考虑到的许多粒子。

劳克林还指出,尽管沃普森的计算可能不会立即得到应用,但对于那些认为可见宇宙实际上是一个大型计算机模拟程序的人来说,这样的结果可能是有用的。他认为,这种所谓的模拟程序假说是“一个非常有趣的想法”。当然,到目前为止,关于宇宙是模拟程序的假说仍然只是假说,“没有办法知道这是不是真的,”劳克林说道。(任天)

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