目に見える宇宙に含まれる情報を定量化する試み

目に見える宇宙に含まれる情報を定量化する試み 物理

研究者たちは、情報と物理的な宇宙の関係を長い間疑ってきました。

様々なパラドックスや思考実験によって、情報が物理的な物質にコード化される理由を探ってきました。

デジタル時代になってからは、これらの研究課題を解決することで、物理学やコンピュータのさまざまな分野に具体的な応用が可能になると考え、この分野の研究を推進してきました。

今回、学術誌のAIP Advancesで発表された論文では、ポーツマス大学の研究者が、このような情報がどれくらい存在するのかを明らかにしようと試み、宇宙の目に見えるすべての物質にコード化された情報の量を、10の6乗である80ビットの情報として数値的に推定しています。

この種の推定は初めてではありませんが、本研究のアプローチは情報理論11948年に C.E.シャノンが発表した論文に始る数学的理論で,社会生活のなかでの情報の発生,伝送,受理を表現するものである。通信路を通じて一つの通報が送られたとき,受信側では事象に対する不確定さが変化する。たとえば,通報が完全に確かなものであれば,不確定さは消滅する。このような不確定さの変化分が,送られた情報量に等しいと考える。情報理論では,情報は物質と同様にはかったり数えたりできるし,伝送もできると考えるので,物資輸送システムと同じように情報伝送システムが設計できる。不確定さを表現する量はエントロピーと呼ばれ,事象の確率を与えれば計算される。その単位はビット bitで,情報の発生,伝送,処理の速度は bit/sで表わされる。情報理論は,情報量を客観的に定義してシステムの設計に反映させようとするものであるから,受信者の主観的価値や意味的な価値を扱うものではない。直接の応用としては,通信システムにおける変調,符号化,暗号の理論などがある。そのほか,生物と情報,人間の判断と行動,言語情報,冗長さと信頼性の関係などにも応用することができる。ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典に基づいています。

「宇宙の情報量については、半世紀以上にわたって議論されてきました。宇宙の情報量を推定する試みは様々なものがありましたが、この論文では、1つの素粒子にどれだけの情報が圧縮されるかを追加で仮定するユニークなアプローチを説明しています。」と著者のMelvin M. Vopson氏は述べています。

この推定を行うために、著者はシャノンの情報理論を用いて、観測可能な宇宙の各素粒子に符号化されている情報量を1.509ビットと定量化しました。

情報理論の研究で「デジタル時代の父」と呼ばれる数学者クロード・シャノンは、1948年にこの情報量の定量化方法を定義しました。

Vopson氏は、「宇宙の情報量を測定する上で、このような方法が取られたのは初めてであり、明確な数値予測が得られました。完全に正確ではないにしても、この数値予測は実験的な検証につながる可能性を秘めています。」と述べています。

最近の研究では、情報がブラックホールからどのように出ていくのかなど、情報と物理の相互作用が明らかになってきています。

しかし、情報の正確な物理的意義はいまだに解明されていません。

しかし、複数の過激な理論が、情報は物理的であり、測定可能であると主張しています。

Vopson氏はこれまでの研究で、情報は固体、液体、気体、プラズマと並ぶ第5の物質状態であり、とらえどころのない暗黒物質は情報である可能性があると主張してきました。

Vopson氏の研究では、よく知られているエディントン数(観測可能な宇宙における陽子の総数)を正確に再現する公式の導出も行っています。

今回の研究では、反粒子やニュートリノを無視し、情報の伝達や保存について一定の仮定を置いていますが、素粒子1個あたりの情報量を推定するユニークなツールとなっています。

今後は、これらの予測を実際の実験で検証し、改良していくことができます。

たとえば、「情報は宇宙における第5の物質状態である」という仮説を証明または反証するための研究などが考えられます。

Published by American Institute of Physics. Melvin M. Vopson. Estimation of the information contained in the visible matter of the universe. AIP Advances (2021). DOI: 10.1063/5.0064475.