如果宇宙是一個(gè)大型計(jì)算機(jī)模擬程序，那它包含多少信息?

北京時(shí)間11月9日消息，一項(xiàng)新研究稱，我們目前可見的宇宙可能包含大約6 x 10^80比特的信息。有人認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)可能暗示了一種可能性，即宇宙實(shí)際上是一個(gè)巨大的計(jì)算機(jī)模擬程序。

這是一個(gè)令人難以置信的數(shù)字，但其背后是一個(gè)更加奇怪的假設(shè)。60年前，德裔美國物理學(xué)家羅夫·蘭道爾提出了一種信息和能量之間的等效關(guān)系，指出在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中擦除一個(gè)經(jīng)典比特的信息，會(huì)產(chǎn)生少許的熱量，而熱量正是能量的一種形式。

阿爾伯特·愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E = mc^2表明，能量和物質(zhì)是彼此的不同形式。因此，英國樸茨茅斯大學(xué)的物理學(xué)家梅爾文·沃普森曾推測(cè)，信息、能量和質(zhì)量之間可能存在某種關(guān)系。

“利用質(zhì)-能-信息等效的原理，我推測(cè)信息可能是宇宙中物質(zhì)的主要形式之一，”沃普森說道。他還補(bǔ)充道，信息甚至可以解釋暗物質(zhì)，這種神秘物質(zhì)構(gòu)成了大部分的宇宙。

于是，沃普森開始測(cè)定單個(gè)亞原子粒子(如質(zhì)子或中子)中的信息量，并認(rèn)為這些實(shí)體完全可以由三個(gè)基本特征來描述，即質(zhì)量、電荷和自旋。他說：“這些特性使基本粒子相互區(qū)分，而它們可以被視為‘信息’。”

1948年，美國數(shù)學(xué)家和工程師克勞德·香農(nóng)在一篇開創(chuàng)性的論文《一種關(guān)于通信的數(shù)學(xué)理論》(A Mathematical Theory of Communication)中，首次給出了信息的具體定義。在這位信息論的鼻祖看來，信息就是對(duì)不確定性的消除。為了度量信息的多少，香農(nóng)提出了“信息熵”的概念。在研究信息傳輸?shù)淖畲笮蕰r(shí)，他引入了“比特”(bit)的概念。比特的值可以是0或1，是用來測(cè)量信息的單位，就像英尺或米是距離的單位，攝氏度是溫度的單位。

利用香農(nóng)的方程，沃普森計(jì)算出一個(gè)質(zhì)子或中子應(yīng)該包含1.509比特的編碼信息。然后，沃普森導(dǎo)出了可觀測(cè)宇宙中粒子總數(shù)的估計(jì)——大約為10^80，這與之前的估計(jì)一致——從而確定宇宙的總信息量。他的這項(xiàng)研究發(fā)表在10月19日的《美國物理聯(lián)合會(huì)進(jìn)展》(AIP Advances)雜志上。

沃普森表示，即使得出的數(shù)字看起來十分巨大，但它仍不足以解釋宇宙中的暗物質(zhì)。在早期的工作中，沃普森估計(jì)大約需要10^93比特的信息——比他得到的這個(gè)數(shù)字大10萬億倍——才能解釋整個(gè)可見宇宙。

盡管計(jì)算出的數(shù)字比預(yù)期的更小，但沃普森并不確定原因。他的計(jì)算集中在質(zhì)子和中子等粒子上，而忽略了電子、中微子和夸克等實(shí)體。根據(jù)沃普森的說法，只有質(zhì)子和中子才能存儲(chǔ)關(guān)于它們自身的信息。但他也承認(rèn)，這種假設(shè)可能是錯(cuò)誤的，也許其他粒子也可以存儲(chǔ)關(guān)于它們自身的信息。

美國耶魯大學(xué)的天文學(xué)家格雷格·勞克林沒有參與這項(xiàng)工作，但他表示，這可能就是沃普森的結(jié)果與之前對(duì)宇宙總信息的估計(jì)如此不同的原因，之前的計(jì)算結(jié)果往往要高得多。“這不是忽略了房間里的大象，而是忽略了房間里的100億頭大象，”勞克林說道，這里的“大象”指的是沃普森的估計(jì)中沒有考慮到的許多粒子。

勞克林還指出，盡管沃普森的計(jì)算可能不會(huì)立即得到應(yīng)用，但對(duì)于那些認(rèn)為可見宇宙實(shí)際上是一個(gè)大型計(jì)算機(jī)模擬程序的人來說，這樣的結(jié)果可能是有用的。他認(rèn)為，這種所謂的模擬程序假說是“一個(gè)非常有趣的想法”。當(dāng)然，到目前為止，關(guān)于宇宙是模擬程序的假說仍然只是假說，“沒有辦法知道這是不是真的，”勞克林說道。