Во Вселенной больше массы вещества, создающего гравитацию, чем мы можем видеть. Это наблюдение приводит к выводу, что во Вселенной должна быть “темная материя” – вещество, которое мы не можем видеть, но которое оказывает свое гравитационное воздействие. По крайней мере, некоторые физики полагают, что это вещество может быть не новым типом материи, а самой информацией.
Откуда мы знаем, насколько велика “гравитация”? Главным образом, путем наблюдения за движением звезд, но, по сути, любое наблюдение о крупномасштабном движении во Вселенной должно совпадать с нашими расчетами о влиянии гравитации. Эти расчеты, основанные на общей теории относительности Ньютона и Эйнштейна, чрезвычайно точны и подтверждаются наблюдениями. Впервые несоответствие между нашими теориями и наблюдениями было обнаружено в 1933 году, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки наблюдал за движением галактик в скоплении Кома. Когда объекты вращаются друг вокруг друга, их импульс подобен силе, отбрасывающей их друг от друга. Гравитация должна уравновесить эту силу притяжением вовнутрь. Таким образом, мы можем рассчитать, какой должна быть сила притяжения, чтобы удерживать скопление галактик вместе, и Цвикки подсчитал, что ее недостаточно, но оставил открытым вопрос о том, насколько.
Затем астроном Вера Рубин провела, по сути, те же наблюдения за галактикой Андромеды. Она обнаружила, что звезды в галактике вращаются примерно с одинаковой скоростью, независимо от того, насколько близко они находятся к центру. Расчеты показали, что более близкие звезды должны двигаться намного быстрее, чем более отдаленные. На самом деле, звезды во внешних частях галактики должны разлетаться в разные стороны. Она пришла к выводу, что по всей галактике должна быть темная материя, создающая достаточную дополнительную гравитацию, чтобы удерживать быстро движущиеся звезды вместе. На самом деле, этой темной материи должно быть более чем в 5 раз больше, чем обычной материи, которую мы можем видеть. Большая часть материи Вселенной невидима и загадочна.
Несмотря на то, что теория гравитации довольно проста, некоторые физики предложили альтернативную теорию темной материи, согласно которой в теории гравитации на самых больших масштабах необходимо внести еще одно изменение, так называемую “Модифицированную ньютонову динамику” или MOND. Один из их главных аргументов заключается в том, что у предполагаемой темной материи есть некоторые любопытные свойства, если она существует. Например, Вера Рубин не просто заметила, что в Андромеде гравитация была больше, чем необходимо. Она заметила, что этого количества как раз достаточно, чтобы сделать диаграмму вращения звезд плоской – звезды вращаются с одинаковой скоростью независимо от расстояния. Это может быть просто космическим совпадением, или может быть какая-то другая нераскрытая причина того, что темной материи всегда достаточно, чтобы вызвать такую взаимосвязь. Как выразился один из сторонников MOND:
На самом деле, нет причин, по которым обычная и темная материя должны смешиваться правильным образом, чтобы разница в массе всегда была меньше заданного ускорения. Эта систематичность больше, чем что-либо другое, говорит нам о том, что мы, возможно, сталкиваемся с нарушением закона всемирного тяготения в пределе слабого поля, а не с воздействием темной материи.
Проблема в том, что наблюдения не подтвердили теорию MOND, и она потеряла популярность, хотя некоторые несогласные утверждают, что она также не была полностью опровергнута. Возможно, самым сильным аргументом против MOND и, по сути, подтверждающим существование темной материи, является скопление bullet. Здесь два скопления галактик сталкиваются. Когда они сталкиваются друг с другом, газовые облака замедляются из-за давления друг на друга. Как вы можете видеть на связанном рисунке, розовое в середине – это наблюдаемые газовые облака. Синий цвет с обеих сторон (это составное изображение) – это изображение того места, где находится сила тяжести, с использованием гравитационного линзирования. Таким образом, вещество с наибольшей гравитацией (темная материя), по-видимому, прошло прямо сквозь друг друга (“без столкновений”), в то время как видимая барионная (нормальная) материя замедлилась посередине. Галактики, кстати, также в основном бесстолкновительные и образуются за счет темной материи, но большая часть видимой массы находится в газовых облаках. Многие воспринимают это составное изображение как подтверждение существования темной материи, и оно является весомым доказательством, по крайней мере, гибели MOND.
Однако не все сторонники MOND сдались, и некоторые утверждают, что в скоплении bullet есть некоторое разделение видимой и невидимой материи, но для объяснения степени гравитационного линзирования все еще нужен MOND. Однако, похоже, что это мнение меньшинства уменьшается.
Все это подводит нас к текущей альтернативной гипотезе. Возможно, оба лагеря отчасти правы, по крайней мере, в своих заявлениях о том, что неверно. Сторонники MOND могут быть правы в своей критике темной материи, а скопление bullet и другие свидетельства могут, по сути, опровергать MOND. Другими словами, обе стороны неправы – возможно, недостающая масса во Вселенной – это что-то другое, информация. Но подождите, вы, вероятно, хотите сказать, что информация – это просто абстрактное понятие, а не реальная вещь, которая может обладать массой. Как такое возможно?
История начинается с Элвуда Шеннона, которого считают отцом теории информации и цифровой эры. Он разработал способ передачи информации по проводам (довольно простой для нашего современного мира) и даже ввел термин “бит” для обозначения единицы информации. По сути, он продемонстрировал, что поток информации подчиняется математическим правилам. Итак, следование математике не означает, что математика сама по себе является физической вещью, но это связь между абстрактным и физическим. К настоящему времени вы, вероятно, уже догадались, что квантовая механика имеет какое-то отношение к этой теории информации, если не по какой-то другой причине, то по той, что, когда предлагается физика, которая бросает вызов нашему представлению о реальности, она, вероятно, имеет какое-то отношение к квантовой механике.
Все это как-то связано с принципом Ландаура, который гласит, что когда из Вселенной удаляется часть информации, выделяется небольшое количество тепла. Этот принцип, по-видимому, прошел проверку в квантовых экспериментах. Итак, если информация может выделять тепло, то у нее есть энергия, которая также является массой (вспомните Эйнштейна).
Другой физик, Джон Арчибальд Уилер, сделал еще один шаг вперед и провозгласил, что все сущее – это информация. По сути, информация является фундаментальным строительным материалом Вселенной. Это согласуется с квантовой механикой в том смысле, что элементарные частицы в их квантовом состоянии ведут себя подобно математическим функциям – волнам вероятности. Эти волны вероятности могут даже взаимодействовать точно так же, как физические волны. Таким образом, идея о том, что информация – это физическая вещь, не абсурдна, по крайней мере, в контексте квантовой механики.
Доктор Мелвин Вопсон из Портсмутского университета в Великобритании сейчас пытается свести все это воедино, выдвигая гипотезу о том, что, возможно, существует не только эквивалентность массы и энергии (E=MC2), но и эквивалентность массы, энергии и информации.
Вопсон говорит: “Он [Ландауэр] первым определил связь между термодинамикой и информацией, постулировав, что логическая необратимость вычислительного процесса подразумевает физическую необратимость”.
Еще раз повторю – физический мир подчиняется математическим принципам, следовательно, эти математические принципы являются физическими. Я не уверен, что согласен с этим, но я также не претендую на понимание основ физики. Что еще более важно, Вопсон предлагает провести эксперимент, чтобы проверить это. Вы могли бы, например, взвесить и очистить жесткий диск. Затем заполнить этот жесткий диск информацией и взвесить его снова. Если информация имеет массу, то жесткий диск должен весить больше. Это могло бы подтвердить его теорию, но проблема в том, что масса, о которой мы говорим, настолько мала, что в настоящее время нет возможности ее измерить. На самом деле, разработка и создание устройства, способного точно измерять такое крошечное количество массы, было бы огромным проектом, сравнимым по масштабам со строительством коллайдера.
Возможно, это будет похоже на гравитационные волны – впервые они были предложены Анри Пуанкаре в 1905 году, а затем рассчитаны Эйнштейном в его общей теории относительности в 1916 году. Но они были обнаружены только в 2015 году, более века спустя. Возможно, Вопсону придется ждать столетие, пока его гипотеза будет проверена.
