银河系般大的硬盘存不下，物理学家计算出可观测宇宙存在多少信息

电子的质量、电荷和自旋有助于将其与其他粒子区分开来。这些识别性质也引出了一个问题：物质本身能否被视为信息的存储介质，其信息含量能否被计数？

朴茨茅斯大学数学与物理学院的梅尔文·沃普森在《AIP Advances》上探讨了这个问题。他的理论分析结合了信息论和粒子丰度估计，得出了一个巨大的宇宙粒子总数。

这种计算方法提供了一种解决长期存在问题的途径，而非对宇宙中包含的一切进行测量。其结果取决于如何定义信息、统计哪些粒子以及关于信息存储位置的假设。

基于粒子身份的信息计数

测量电子的特征性质可以让观察者识别它。在沃普森的解释中，观察者发现的是与粒子相关的信息，而不是通过观察来创造粒子的物理特性。

他的分析探讨了平均需要多少信息才能区分特定类型的粒子。然后，他将这种计算方法推广到可观测宇宙中的普通物质。

沃普森说：“宇宙的信息容量一直是半个多世纪以来争论的话题。人们曾尝试过各种方法来估算宇宙的信息含量，但在这篇论文中，我描述了一种独特的方法，该方法还假设了单个基本粒子可以压缩多少信息。”

该计算侧重于普通物质，即构成我们熟悉的原子的材料。它考虑的是质子和中子中的电子以及上夸克和下夸克，而不是将质子及其组成夸克重复计算。

这使得问题比全面清点宇宙万物更为具体。仅仅描述粒子类别本身并不能描述每个粒子的位置、运动或与周围一切事物的关系。

香农数学为会计方法提供了依据。

该方法借鉴了数学家克劳德·香农于 1948 年发展的信息论。该框架使用不同结果的概率来量化信息，而不是使用它们对观察者的意义。

克劳德·香农，数学先驱和信息论之父。（图片来源：阿尔弗雷德·艾森斯塔特，由普林斯顿高等研究院提供）

罕见结果比预期结果包含更多信息。对所有可能结果取平均值，即可得到信息熵，当计算采用以 2 为底的对数时，信息熵以比特为单位。

不同类型的粒子数量并不相同，因此简单地统计粒子种类会遗漏计算中的重要部分。沃普森则利用粒子种类的估计比例来确定平均信息值。

这个分数结果应该理解为该分布的平均值。它并不意味着单个粒子包含一个微型数字存储器，其中存储着完整的比特和其他比特的部分信息。

因此，该方法包含两个截然不同的步骤。首先是为选定的粒子类别分配信息；然后是估计可观测宇宙中相关粒子的数量。

计算结果显示，这个数字非常庞大。

在沃普森选择的物质构成中，每个基本粒子的平均信息值为1.509比特。该模型以普通物质为基础，其质量占比约为75%的氢、23%的氦和2%的较重元素。

在统计其组成成分之前，必须将这些比例转换为原子数量。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，而一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。

沃普森将这份清单与描述普通物质密度和可观测宇宙大小的宇宙学量结合起来。由此得到的粒子数量约为 4 × 10⁸⁰。

将该计数乘以平均信息值，得到 6.036 × 10⁸⁰ 比特，四舍五入约为6 × 10⁸⁰。这是所选物质粒子的理论估计值，而不是已证实的普遍信息容量。

为了便于理解，存储如此庞大的数据量大约需要 7.5 × 10⁶⁷ 个笔记本电脑硬盘，每个硬盘容量为 1 TB。如果将这些尺寸约为 100 × 70 × 7 毫米的硬盘堆叠起来，它们将填满一个边长约为 163,000 光年的立方体，比银河系直径约为 100,000 光年的恒星盘还要宽。

如果每个比特都占据一个边长为一毫米的立方体（大约一粒沙子的大小），那么由此得到的立方体每边长约为9000万光年。这大约是银河系宽度的900倍。

不同的宇宙估算结果回答了不同的问题

该论文还推导出了一个与爱丁顿数相关的常用数量级一致的质子数。这为粒子数量级提供了一个数值比较，而不是独立地证实粒子是否实际存储了计算出的比特位。

早期的估算曾探讨过关于宇宙信息的不同问题。在2002年的一项分析中，物理学家塞思·劳埃德研究了宇宙的计算能力，包括其历史上信息记录和基本运算的限制。

此类估算不能直接作为对同一物理量的相互竞争的测量结果进行比较。粒子种类清单和物理计算的限制具有不同的定义和范围。

如果将这些尺寸约为 100 × 70 × 7 毫米的硬盘堆叠在一起，它们将填满一个边长约为 163,000 光年的立方体，比银河系直径约为 100,000 光年的恒星盘还要宽。（图片来源：The Brighter Side of News）

沃普森的研究还忽略了反粒子和中微子。它将力载体粒子视为信息的传递者而不是存储者，这一假设有助于定义所提出的粒子清单。

它的解释超越了香农的数学计算。信息论提供了一种量化粒子类别不确定性的方法，而关于这种信息物理地存在于粒子内部的说法则需要进一步的论证。

预测仍需进行实际验证。

数值结果并未证实沃普森提出的信息具有质量或可以构成物质的第五态的观点。同样，它也没有证明信息可以解释暗物质。

信息处理与物理学之间存在实验证实的联系。2012 年发表在《自然》杂志上的一项实验验证了兰道尔原理，该原理将物理存储器中信息的擦除与热耗散联系起来。

这一发现涉及特定的热力学过程，但并不能证明抽象信息是一种额外的物质，也不能验证基于粒子特性的宇宙物质清单。

沃普森将他的数值估算描述为一种潜在的实验途径。检验更广泛的解释需要可观测的物理结果，而不仅仅是数学量之间的吻合。

在另一篇论文中，他提出了一种利用粒子-反粒子湮灭来检验其质能信息假说的实验方案。该论文描述的是一项拟议的检验方法，而非对预期效应的探测结果。

“即使数值预测并不完全准确，它也为实验检验提供了一条潜在途径，”沃普森在谈到信息估计时说道。

香农的理论可以为计算提供支持，但并未就其对物质基本性质的意义作出定论。这项研究为研究人员提供了一个明确的估算值，供其检验和完善，同时其物理意义的解释也留待进一步探究。