私たちは長い間、重力が自然界の基本的な力の一つであり、宇宙を繋ぎ止めている目に見えない糸の一つであると当然のこととして受け入れてきました。しかし、もしこれが真実ではないとしたらどうでしょう。重力の法則は、より根本的な何かの反響に過ぎず、コンピューターのようなコードで動作する宇宙の副産物だとしたらどうでしょう。
これが、AIP Advances誌に掲載された私の最新の研究の前提です。重力は物体同士を引き寄せる不思議な力ではなく、私が情報力学の第二法則と呼ぶ、情報に関する自然法則の産物であることを示唆しています。
SFのような概念に思えるかもしれないが、物理学と、宇宙がコンピューターシミュレーションのように不審な動きをしているという証拠に基づいている。スマートフォンのアプリやサイバースペースの世界に至るまで、デジタル技術においては効率が鍵となる。コンピューターはメモリと処理能力を節約するために、常にデータを圧縮し、再構築している。もしかしたら、宇宙全体でも同じことが起きているのかもしれない。
情報理論は、情報の定量化、保存、伝達を数学的に研究する学問であり、何が起こっているのかを理解するのに役立つかもしれません。数学者クロード・シャノンによって提唱されたこの理論は、物理学においてますます人気が高まり、ますます幅広い研究分野で利用されています。
2023年の論文で、情報理論を用いて情報力学の第二法則を提唱しました。これは、情報の「エントロピー」、つまり情報の無秩序度は、いかなる閉鎖情報システムにおいても減少するか、あるいは一定に保たれる必要があるというものです。これは、物理的なエントロピー、つまり無秩序度は常に増加するという、よく知られた熱力学の第二法則とは正反対です。
冷めていくコーヒーカップを例に挙げましょう。エネルギーは熱い方から冷たい方へと流れ、コーヒーの温度が室温と同じになり、エネルギーが最小になります。この状態を熱平衡と呼びます。この時点で系のエントロピーは最大になり、すべての分子が最大限に広がり、同じエネルギーを持ちます。つまり、液体中の分子あたりのエネルギーの広がりが小さくなるということです。
各分子の情報量をそのエネルギーに基づいて考えると、最初の段階、つまり熱いコーヒーカップでは情報エントロピーが最大になり、平衡状態では情報エントロピーが最小になります。これは、ほぼすべての分子が同じエネルギーレベルにあり、情報メッセージにおいて同一の文字となるためです。つまり、熱平衡状態にあるとき、利用可能な異なるエネルギーの広がりは減少します。
しかし、エネルギーではなく位置だけを考えると、粒子が空間にランダムに分布している場合、情報の無秩序性は大きく、粒子の動きに追従するために必要な情報量は膨大になります。しかし、惑星、恒星、銀河のように、粒子が重力によって密集すると、情報は凝縮され、より扱いやすくなります。
シミュレーションでは、システムがより効率的に機能しようとするときにまさにそれが起こります。つまり、重力の影響下で物質が流れることは、必ずしも力の結果である必要はありません。おそらく、宇宙が扱うべき情報を圧縮する方法の関数なのでしょう。
ここでは、空間は連続的で滑らかではありません。空間は、写真のピクセルやコンピューターゲームの画面上の四角形のような、小さな情報の「セル」で構成されています。それぞれのセルには、例えば粒子がどこにいるかといった宇宙に関する基本的な情報が収められており、それらが集まって宇宙の構造を形成しています。
この空間内にアイテムを配置すると、システムはより複雑になります。しかし、それらのアイテムがすべて1つにまとまって、複数のアイテムではなく1つのアイテムになると、情報は再びシンプルになります。
この見解によれば、宇宙は自然に情報エントロピーが最小となる状態へと向かう傾向がある。真に驚くべきは、この単純化への傾向によって生み出されるエントロピー的な「情報力」が、私の論文で示したように、ニュートンの万有引力の法則とまさに等価であるという点だ。
この理論は「エントロピー重力」に関する先行研究に基づいていますが、さらに一歩進んでいます。情報ダイナミクスと重力を結びつけることで、宇宙はある種の宇宙ソフトウェアによって動いている可能性があるという興味深い結論に至ります。人工宇宙では、最大効率ルールが想定され、対称性や圧縮が想定されます。そして、これらの計算ルールから法則、つまり重力が出現すると予想されます。
私たちがシミュレーションの中で生きているという決定的な証拠はまだないかもしれません。しかし、深く観察すればするほど、私たちの宇宙は計算プロセスのように振る舞っているように見えます。
メルビン・M・ヴォプソンはポーツマス大学の物理学准教授です。この記事はThe Conversationからクリエイティブ・コモンズのライセンスに基づいて転載されました。元の記事はこちらです。
