אין חומר אפל. במקום זאת, לאינפורמציה יש מסה.

מאת: Philip Perry

מקור: BigThink

האם אינפורמציה היא הצורה החמישית של חומר?

חוקרים מנסים כבר למעלה מ-60 שנה לזהות את החומר האפל, ישנן תיאוריות רבות בנושא, אך אף אחת מהן אינה נתמכת בראיות. עקרון האֶקְוִיוָלֶנְטִיּוּת מסה-אנרגיה-אינפורמציה משלב מספר תיאוריות כדי להציע אלטרנטיבה לחומר האפל.

"גילוי" החומר האפל

אנו יכולים לדעת כמה חומר יש ביקום על ידי תנועות הכוכבים. בשנות ה-20 של המאה הקודמת, פיזיקאים שניסו לעשות זאת גילו אי התאמה והגיעו למסקנה כי ביקום חייב להיות יותר חומר ממה שניתן לזהות. איך זה יכול להיות?

בשנת 1933, האסטרונום השוויצרי פריץ צוויקי, בעודו מתבונן בתנועת הגלקסיות בצביר הגלקסיות קומה (Coma Cluster), הוא החל לתהות מה מחזיק אותן יחד. לא היה מספיק מסה כדי למנוע מהגלקסיות להתעופף זו מזו. צוויקי הציע כי חומר אפל כלשהו מספק לכידות. אך מכיוון שלא היו לו ראיות, התיאוריה שלו נדחתה במהירות.

ואז, בשנת 1968, האסטרונומית ורה רובין גילתה תגלית דומה. היא למדה את גלקסיית אנדרומדה, במצפה הכוכבים קית פיק (Kitt Peak) בהרים של דרום אריזונה, כשנתקלה במשהו שהפליא אותה. רובין בחנה את עקומת הסיבוב של אנדרומדה, או את המהירות בה מסתובבים הכוכבים סביב המרכז, והבינה שהכוכבים בקצוות החיצוניים נעים בדיוק באותו קצב של אלה שבפנים, מה שמפר את חוקי התנועה של ניוטון. משמעות הדבר הייתה שיש בגלקסיה יותר חומר ממה שניתן היה לזהות. קריאות הכרטיס המנוקב שלה נחשבות היום כראיה הראשונה לקיומו של חומר אפל.

גלקסיות רבות אחרות נחקרו במהלך שנות ה-70. בכל אחד מהמקרים נצפתה אותה תופעה. כיום חושבים שחומר אפל מהווה עד 27% מהיקום. חומר "נורמלי" או באריוני מהווה 5% בלבד. זהו החומר שאנחנו יכולים לזהות. אנרגיה אפלה, שגם אותה איננו יכולים לזהות, מהווה 68%.

אנרגיה אפלה היא האחראית לקבוע האבל, או לקצב התפשטות היקום. לעומת זאת, חומר אפל, משפיע על האופן שבו חומר "נורמלי" מתגבש. הוא מייצב צבירי גלקסיות. הוא גם משפיע על צורת הגלקסיות, על עקומות הסיבוב שלהן ועל האופן שבו כוכבים נעים בתוכן. חומר אפל משפיע אפילו על האופן שבו גלקסיות משפיעות זו על זו.

פרוסת מבנה היקום המכונה "הרשת הקוסמית". הפילמנטים הגדולים עשויים בעיקר מחומר אפל הממוקם בחלל שבין הגלקסיות / NASA

חומר אפל - תיאוריות מובילות

מאז שנות ה-70 אסטרונומים ופיזיקאים לא הצליחו לזהות שום עדות לחומר אפל. תיאוריה אחת היא שהכל קשור באובייקטים מאוגדים בחלל הנקראים MACHOs. אלה כוללים חורים שחורים, חורים שחורים על-מסיביים, ננסים חומים וכוכבי נייטרונים.

תיאוריה נוספת היא שחומר אפל מורכב מסוג של חומר שאינו באריוני, המכונה 'חלקיקים מסיביים המקיימים אינטראקציה חלשה' (WIMPS). חומר באריוני הוא הסוג המורכב מבאריונים, כמו פרוטונים ונייטרונים וכל מה שמורכב מהם, שהוא כל דבר עם גרעין אטומי. עם זאת, אלקטרונים, נייטרינים, מיואונים וחלקיקי טאו אינם באריונים, אלא סוג של חלקיקים הנקרא לפטונים. למרות של-WIMPS (ההיפותטי) יהיה פי עשרה עד פי מאה ממסה של פרוטון, האינטראקציה שלו עם חומר רגיל תהיה חלשה, מה שמקשה על גילויו.

ואז יש את אותם נייטרינים שהוזכרו. האם ידעתם שזרמים עצומים שלהם עוברים מהשמש דרך כדור הארץ בכל יום, מבלי שאי פעם שמנו לב? הם במוקד של תיאוריה אחרת האומרת שנייטרינים ניטרליים, אשר מקיימים אינטראקציה רק עם חומר נורמלי באמצעות גרביטציה, הם מה שמרכיב את החומר האפל. מועמדים אחרים כוללים שני חלקיקים תיאורטיים, האקסיון הנייטרלי והפוטינו הלא טעון.

כעת, פיזיקאי תיאורטי מעלה תפיסה רדיקלית עוד יותר. מה אם חומר אפל בכלל לא קיים? לד"ר מלווין וופסון (Dr. Melvin Vopson), מאוניברסיטת פורטסמות' בבריטניה, יש היפותזה שהוא מכנה האֶקְוִיוָלֶנְטִיּוּת של מסה-אנרגיה-אינפורמציה. הוא קובע כי אינפורמציה היא אבן היסוד הבסיסית של היקום, ויש לה מסה. היא מהווה את המסה החסרה בגלקסיות, ובכך מבטלת לחלוטין את היפותזת החומר האפל.

מפה תלת-ממדית של פיזור החומר אפל, משוחזרת ממדידות של טלסקופ החלל האבל / NASA/ESA/Richard Massey

תורת האינפורמציה

כדי להבהיר, הרעיון שאינפורמציה היא אבן יסוד חיונית של היקום אינו חדש. תורת האינפורמציה הקלאסית הוצגה לראשונה באמצע המאה ה-20 על ידי קלוד אלווד שאנון, "אבי העידן הדיגיטלי". למתמטיקאי והמהנדס, שהיה מוכר בחוגים מדעיים - אך לא כל כך מחוצה להם, היתה הברקה עוד בשנת 1940. הוא הבין שהאלגברה הבוליאנית חופפת באופן מושלם את מערכות תמסורת הטלפון. עד מהרה הוא הוכיח שניתן להשתמש במתמטיקה בתכנון מערכות חשמל.

שאנון נשכר ע"י מעבדות בל כדי להבין כיצד להעביר אינפורמציה דרך מערכת חוטים. הוא כתב את התנ"ך של השימוש במתמטיקה להקמת מערכות תקשורת, ובכך הניח את הבסיס לעידן הדיגיטלי. שאנון היה גם הראשון שהגדיר יחידת מידע אחת כבִּיט.

לא היה אולי תומך גדול יותר בתיאוריית האינפורמציה מאשר מדען דגול אחר, ג'ון ארצ'יבלד וילר. וילר היה חלק מפרויקט מנהטן, עבד על ה-"S-Matrix" עם נילס בוהר ועזר לאיינשטיין לפתח תיאוריה מאוחדת של פיזיקה. בשנותיו המאוחרות הכריז "הכל הוא אינפורמציה". ואז הוא החל לחקור קשרים בין מכניקת הקוונטים לתורת האינפורמציה.

הוא גם טבע את הביטוי "it from bit" או שכל חלקיק ביקום נובע מהאינפורמציה הנעולה בתוכו. בשנת 1989, במכון סנטה פה (Santa Fe Institute), הודיע ​​וילר כי כל דבר, החל מחלקיקים דרך כוחות וכלה במרקם של המרחב-זמן עצמו "...שואב את תפקידו, המשמעות שלו, עצם קיומו... מהמנגנון המפיק תשובות לשאלות כן או לא, אפשרויות בינאריות, ביטים".

קלוד אלווד שאנון - "אבי העידן הדיגיטלי"

חלק מאיינשטיין, חלק מלנדואר

וופסון לוקח את הרעיון צעד אחד קדימה. הוא אומר שלא רק שאינפורמציה היא היחידה החיונית של היקום אלא שהיא אנרגיה ושיש לה מסה. כדי לתמוך בטענה זו, הוא מאחד ומתאם את תורת היחסות הפרטית עם עקרון המחיקה של לנדואר. האחרון נקרא על שם רולף לנדואר (Rolf Landauer). בשנת 1961 הוא חזה כי אפילו מחיקה של ביט אינפורמציה אחד תשחרר כמות זעירה של חום, נתון אותו חישב. לנדואר אמר כי הדבר מוכיח כי אינפורמציה היא יותר מרק כמות מתמטית. זה מחבר אינפורמציה לאנרגיה. באמצעות בדיקות ניסיוניות לאורך השנים, עקרון לנדואר החזיק מעמד.

וופסון אומר, "הוא [לנדואר] זיהה לראשונה את הקשר בין תרמודינמיקה לאינפורמציה בכך שהוא הניח כי אי הפיכות לוגית של תהליך חישובי מרמזת על אי הפיכות פיזית". זה מצביע על כך שאינפורמציה היא פיזית, אומר וופסון, ומדגים את הקשר בין תורת האינפורמציה לתרמודינמיקה.

בתיאוריה של וופסון, לאינפורמציה, ברגע שהיא נוצרת, יש "מסה סופית הניתנת לכימות". נכון לעכשיו זה חל רק על מערכות דיגיטליות, אבל יכול בהחלט לחול גם על מערכות אנלוגיות וביולוגיות, ואפילו על מערכות קוונטיות או מערכות יחסותיות-נעות (relativistic-moving systems). "יחסות ומכניקת קוונטים הם כיוונים עתידיים אפשריים של עקרון האֶקְוִיוָלֶנְטִיּוּת מסה-אנרגיה-אינפורמציה", הוא אומר.

במאמר שפורסם בכתב העת AIP Advances, מפרט וופסון את הבסיס המתמטי להיפותזה. "אני הראשון שמציע את המנגנון והפיזיקה שבאמצעותם אינפורמציה רוכשת מסה", אמר, "כמו גם מבטא בעזרת נוסחה את העיקרון החזק הזה ומציע ניסוי אפשרי לבדיקתו".

Kibble balance / U.S. National Institute of Standards and Technology (NIST)

הצורה החמישית של חומר

כדי למדוד את מסת האינפורמציה הדיגיטלית, מתחילים עם התקן אחסון נתונים ריק. לאחר מכן, מודדים את המסה הכוללת שלו בעזרת מכשיר מדידה רגיש ביותר. ואז ממלאים אותו וקובעים את המסה שלו. לאחר מכן, מוחקים קובץ אחד ומעריכים אותו שוב. הבעיה היא שהתקן "מדידת מסה אולטרה-מדויק" שמתואר המאמר עדיין לא קיים. זה יהיה אינטרפרומטר, משהו דומה ל-LIGO. או אולי מכונת שקילה אולטרה-רגישה הדומה ל-Kibble balance.

"נכון לעכשיו, אני נמצא בתהליך הגשת בקשה למענק קטן, כשהמטרה העיקרית היא לתכנן ניסוי כזה, ואחריו לבצע חישובים כדי לבדוק אם זיהוי של שינויי המסה הקטנים הללו בכלל אפשרי", אומר וופסון. "בהנחה שהמענק יצליח וההערכות יהיו חיוביות, אז יכול להיווצר קונסורציום בינלאומי גדול יותר שיבצע את בניית המכשיר". הוא הוסיף, "זה לא ניסוי מעבדה שולחני, וסביר להניח שזה יהיה מתקן גדול ויקר". אם בסופו של דבר זה יתברר כנכון, וופסון יגלה את הצורה החמישית של חומר.

אז מה הקשר לחומר אפל? וופסון אומר, "מתיו גוג (M.P. Gough) פרסם מאמר בשנת 2008 ובו הוא חישב את... מספר הביטים של אינפורמציה שהיקום הגלוי יכיל כדי להשלים את כל החומר האפל החסר. נראה כי הערכותיי לגבי תכולת הביטים של האינפורמציה ביקום קרובים מאוד להערכותיו".