在可观测宇宙中存储了多少信息？至少包含6×10^80比特的信息

自从数字时代开始（约 1970 年代）以来，理论物理学家一直在推测信息与物理宇宙之间可能存在的联系。考虑到所有物质都是由描述量子系统状态的信息组成的（又名量子信息），并且遗传信息编码在我们的 DNA 中，因此，认为物理现实可以用数据表达并不牵强。

这也导致了许多思维实验和悖论，研究人员开始试图估计宇宙的信息容量。在最近的一项研究中，朴茨茅斯大学的数学家梅尔文·M·沃普森（Melvin M.Vopson）博士对宇宙中所有重子物质（又名：普通或“发光”物质）中编码的信息量提供了新的估计。

该项研究的结果刊登在美国物理学会（AIP）主办的科学杂志《AIP进展》上。虽然，之前已经对宇宙中编码信息的数量做出了估计，但沃普森博士是第一个依赖信息理论（IT）研究领域的人，该领域涉及信息的传输、处理、提取和利用。

这种新颖的方法使他能够解决 IT 产生的问题，即：“为什么宇宙中存储了信息，它在哪里？”以及“宇宙中存储了多少信息？”对此，沃普森博士解释道：

“半个多世纪以来，宇宙的信息容量一直是一个争论的话题。人们已经尝试过各种方法来估计宇宙的信息含量，但在这项新研究中，我描述了一种独特的方法，该方法假设了可以将多少信息压缩成单个基本粒子。”

虽然，类似的研究已经调查了“信息是物理的和可以测量的”可能性，但这种关系的确切物理意义仍然难以捉摸。为了解决这个问题，沃普森求助于著名数学家、电气工程师和密码学家克劳德·香农（Claude Shannon）的工作，因为他在信息论方面的开创性工作，被称为“数字时代之父”。

香农在1948年的一篇题为“通信的数学理论”的论文中，定义了他的信息量化方法，结果采用了“比特”（香农引入的一个术语）作为计量单位。这并不是沃普森博士第一次深入IT领域并对数据进行物理编码。在此之前，他还阐述了如何推断信息的物理性质，以得出对数据本身的估计。

上图：艺术家描绘的来自银河系中心区域的数据图解。

这在他2019年的论文《质量-能量-信息等效原理》中进行了描述，这篇论文将爱因斯坦关于物质和能量相互关系的理论扩展到了数据本身。与IT一致的是，沃普森的研究基于这样一个原则，即信息是物理的，所有物理系统都可以注册信息。他的结论是，在室温（300K）下，单个比特信息的质量为：3.19 x 10^-38 千克（8.598×10^-38磅）。

将香农的方法进一步推进后，沃普森博士确定了可观测宇宙中的每个基本粒子都有相当于1.509比特的编码信息。他说：“这是首次采用这种方法来测量宇宙的信息含量，它提供了一个明确的数值预测。即使不是完全准确，数值预测也为实验测试提供了一条潜在的途径。”

首先，沃普森采用了著名的“爱丁顿”（Eddington）数，它指的是可观测宇宙中的质子总数（目前估计为10^80）。据此，沃普森推导出了一个公式，用以计算宇宙中所有基本粒子的数目。然后，他根据可观测物质（恒星、行星、星际介质等）的温度，调整了对每个粒子所包含的量的估计。

据此，沃普森计算出编码信息总量相当于 6×10^80 位。用计算术语来说，这么多位相当于 7.5 × 1059 zettabytes（泽字节），或 7.5 10^59 zettabytes。将其与 2020 年全球产生的数据量进行比较 —— 64.2 泽字节。不用说，这是一种只能用“天文数字”来形容的差异。

上图：量子信息是物理宇宙可以用数据表达的方式之一。

这些结果建立在沃普森之前的研究基础上，沃普森假设信息是物质的第五种状态（与固体、液体、气体和等离子体并列），暗物质本身也可能是信息。它们也与近年来进行的大量研究一致，所有这些研究都试图阐明，信息和物理定律是如何相互作用的。

这包括信息是如何从黑洞中产生的，被称为“黑洞信息悖论”，以及黑洞会发出辐射这一事实。这意味着，黑洞会随着时间的推移而失去质量，并且不会像以前认为的那样保存下落物质的信息。这两个发现都归功于斯蒂芬·霍金，他第一个发现了这种现象，并恰当地命名为“霍金辐射”。

这也提出了全息理论，这是弦理论和量子引力的一个原则，它推测物理现实是由信息产生的，就像全息图是从投影仪产生的一样。还有一种更激进的解释被称为“模拟理论”，它假设整个宇宙是一个巨大的计算机模拟，可能是由一个非常先进的物种创造的，目的是让我们所有人都受到控制（通常被称为“天文馆假说”）。

正如预期的那样，这一理论确实提出了一些问题，比如反物质和中微子如何符合方程式。它还对信息如何在我们的宇宙中传输和存储以获得具体值做出了某些假设。然而，它提供了一种非常创新和全新的方法来估计宇宙的信息含量，从基本粒子到整个可见物质。

再结合沃普森关于构成物质第一状态（或暗物质本身）的信息的理论，这项研究为未来的研究提供了一个基础，可以建立、测试和证伪。更重要的是，这项研究的长期影响包括对量子引力的可能解释和对各种悖论的解决。

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