La teoría de la relatividad general de Einstein fue revolucionaria en muchos niveles. Una de sus muchas consecuencias innovadoras es que la masa y la energía son básicamente intercambiables en reposo. La implicación inmediata es que se puede hacer masa, materia tangible, a partir de la energía, lo que explica cómo se formó el universo tal como lo conocemos durante el Big Bang, cuando una gran cantidad de energía se convirtió en las primeras partículas. Pero puede haber mucho más.
En 2019, el físico Melvin Vopson de la Universidad de Portsmouth propuso que la información es equivalente a la masa y la energía, existiendo como un estado separado de la materia, una conjetura conocida como el principio de equivalencia de masa-energía-información. Esto significaría que cada bit de información tiene una masa finita y cuantificable. Por ejemplo, un disco duro lleno de información es más pesado que el mismo disco vacío.
Esa es una afirmación audaz, por decir lo menos. Ahora, en un nuevo estudio, Vopson está listo para poner su dinero donde está su boca, proponiendo un experimento que puede verificar esta conjetura.
“La idea principal del estudio es que se puede lograr el borrado de información cuando las partículas de materia aniquilan a sus correspondientes partículas de antimateria. Este proceso esencialmente borra una partícula de materia de la existencia. El proceso de aniquilación convierte toda la masa [restante] de las partículas aniquiladoras en energía, típicamente fotones gamma. Sin embargo, si las partículas contienen información, esta también debe conservarse tras la aniquilación, produciendo algunos fotones de menor energía. En el presente estudio, predije la energía exacta de los fotones rojos infrarrojos resultantes de este borrado de información, y brindé un protocolo detallado para las pruebas experimentales que involucran el proceso de aniquilación de electrones y positrones”, dijo Vopson a ZME Science.
Información: ¿otra forma de materia y energía?
El principio de equivalencia masa-energía-información (M/E/I) combina la aplicación de las leyes de la termodinámica de Rolf Launder con la teoría de la información, que dice que la información es otra forma de energía, y la teoría de la información de Claude Shannon que condujo a la invención de la primera bit digital. Este principio M/E/I, junto con su principal predicción de que la información tiene masa, es lo que Vopson llama la primera conjetura de información.
La segunda conjetura es que todas las partículas elementales almacenan contenido de información sobre sí mismas, de manera similar a como los seres vivos están codificados por el ADN. En otro estudio reciente, Vopson utilizó esta segunda conjetura para calcular la capacidad de almacenamiento de información de toda la materia visible del Universo. El físico también calculó que, con una tasa de crecimiento anual actual del 50% en la cantidad de bits digitales que producen los humanos, la mitad de la masa de la Tierra se convertiría en masa de información digital dentro de 150 años.
Sin embargo, probar estas conjeturas no es trivial. Por ejemplo, un disco duro de 1 terabyte lleno de información digital ganaría una masa de solo 2,5 × 10-25 kg en comparación con el mismo disco borrado. Medir un cambio tan pequeño en la masa es imposible incluso con la escala más sensible del mundo.
En cambio, Vopson ha propuesto un experimento que prueba ambas conjeturas mediante una colisión de partículas y antipartículas. Dado que se supone que cada partícula contiene información, que supuestamente tiene su propia masa, entonces esa información tiene que ir a alguna parte cuando la partícula es aniquilada. En este caso, la información debe convertirse en fotones infrarrojos de baja energía.
El experimento
Según las predicciones de Vopson, una colisión electrón-positrón debería producir dos rayos gamma de alta energía, así como dos fotones infrarrojos con longitudes de onda de alrededor de 50 micrómetros. El físico agrega que alterar la temperatura de las muestras no influiría en la energía de los rayos gamma, pero cambiaría la longitud de onda de los fotones infrarrojos. Esto es importante porque proporciona un mecanismo de control para el experimento que puede descartar otros procesos físicos.
Validar el principio de equivalencia de masa-energía-información podría tener implicaciones de gran alcance para la física tal como la conocemos. En una entrevista anterior con ZME Science, Vopson dijo que si sus conjeturas son correctas, el universo contendría una cantidad asombrosa de información digital. Especuló que, considerando todas estas cosas, la escurridiza materia oscura podría ser solo información. Solo el 5% del universo está hecho de materia bariónica (es decir, cosas que podemos ver o medir), mientras que el resto del 95% del contenido de energía en masa está hecho de materia oscura y energía oscura: términos sofisticados que los físicos usan para describir cosas que no tengo idea de cómo se ven.
Luego está la paradoja de la pérdida de información del agujero negro. De acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein, la gravedad de un agujero negro es tan abrumadora que nada puede escapar de sus garras dentro de su horizonte de eventos, ni siquiera la luz. Pero en la década de 1970, Stephen Hawking y sus colaboradores buscaron perfeccionar nuestra comprensión de los agujeros negros mediante el uso de la teoría cuántica; y uno de los principios centrales de la mecánica cuántica es que la información nunca se puede perder. Una de las principales predicciones de Hawking es que los agujeros negros emiten radiación, ahora llamada radiación de Hawking. Pero con esta predicción, el difunto físico británico había enfrentado las leyes últimas de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, entre sí, de ahí la paradoja de la pérdida de información. El principio de equivalencia masa-energía-información puede ayudar a reconciliar esta paradoja.
“Parece ser exactamente lo mismo que propongo en este último artículo, pero a escalas muy diferentes. Mirar de cerca este problema será el alcance de un estudio diferente y, por ahora, es solo una idea interesante que debe seguirse”, me dice Vopson.
Finalmente, la equivalencia masa-energía-información podría ayudar a resolver un debate caprichoso que ha estado ganando fuerza últimamente: la noción de que todos podemos estar viviendo dentro de una simulación por computadora. El debate se remonta a un artículo seminal publicado en 2003 por Nick Bostrom de la Universidad de Oxford, que argumentaba que una civilización tecnológicamente hábil con un inmenso poder de cómputo podría simular nuevas realidades con seres conscientes en ellas. Bostrom argumentó que la probabilidad de que estemos viviendo en una simulación es cercana a uno.
Si bien es fácil descartar la teoría de la simulación por computadora, una vez que lo piensa, tampoco puede refutarla. Pero Vopson cree que las dos conjeturas podrían ofrecer una salida a este dilema.
“Es como decir, ¿cómo un personaje en el juego de computadora más avanzado jamás creado, volviéndose consciente de sí mismo, podría demostrar que está dentro de un juego de computadora? ¿Qué experimentos podría diseñar esta entidad desde dentro del juego para demostrar que su realidad es computacional? De manera similar, si nuestro mundo es de hecho computacional / simulación, ¿cómo podría alguien probar esto? ¿Qué experimentos se deben realizar para demostrar esto?
“Desde el punto de vista del almacenamiento de información, una simulación requiere información para ejecutarse: el código en sí, todas las variables, etc. son fragmentos de información almacenados en alguna parte”.
“Mi último artículo ofrece una forma de probar nuestra realidad desde dentro de la simulación, por lo que un resultado positivo sugeriría fuertemente que la hipótesis de la simulación es probablemente real”, dijo el físico.
Fuente: ZME Science.
