3'10"읽기
- 전자, 쿼크 및 이들로 구성된 양성자와 중성자는 약 6x10^80비트 정보에 해당

물질에 얼마나 많은 정보가 있을까?
물리학자들은 우주에 있는 모든 물질 입자의 정보 내용을 결정했다.

정보는 어디에나 있다:
모든 기본 입자는 특정 기능과 상태를 특징으로 하며 따라서 정보 매체도 있다. 최근 한 물리학자는 우주에 물질 입자의 형태로 암호화되어 있는 정보의 양을 추정했다. 그의 결과: 전자, 쿼크 및 이들로 구성된 양성자와 중성자는 약 6x10^80비트 정보에 해당한다. 눈에 보이는 물질에 포함되지 않은 모든 입자는 여기에 포함되지 않는다. 

▲ 우리 우주에 있는 물질에는 얼마나 많은 정보가 있을까? © cemagraphics, loops7 / 게티 이미지

정보는 컴퓨터뿐만 아니라 모든 것에 있다. 모든 생명체는 생화학적으로 코딩된 정보의 변화하는 모음이다. 우리의 DNA는 어떤 하드 드라이브보다 더 많은 데이터를 저장한다. 그리고 우리 뇌에는 정보 저장고와 문화에 대한 모든 비물질적 지식이 있다. 연구원들이 2019년에 결정한 바에 따르면 모국어만 마스터하면 평균 1,250만 데이터 비트에 해당한다.

정보 전달자로서의 입자

그러나 이것이 전부는 아니다.
물리학자 레오 스질라드(Leo Szillard)가 1929년에 가정한 것처럼 모든 소립자에는 정보도 포함되어 있다.
물리학 표준 모델의 모든 입자는 질량, 전하 및 스핀의 세 가지 기본 특성을 기반으로 식별할 수 있기 때문이다. 포츠머스 대학의 멜빈 보프손(Melvin Vopson)은 "이 3개의 자유도는 관찰자가 생성한 것이 아니라 이미 존재한다. 아마도 입자 자체에 있을 가능성이 크다"며 "그들은 라벨이나 '입자 DNA'와 같다"고 설명했다.

이로부터 물질은 화학 구조 또는 상호 작용에서 생성된 추가 데이터를 고려하지 않고 그러한 소립자로부터 구조를 통해 특정 최소량의 정보를 이미 저장하고 있음을 알 수 있다.

온 우주를 보면 얼마나 많을까?

"우주의 정보 용량은 반세기 동안 논의돼 왔다"고 Vopson은 말했다. 접근 방식에 따라 과학자들은 10^88에서 10^120까지의 값을 생각해 냈다.

고전 정보 이론을 기초로

이제 Vopson은 이 문제도 해결했다.
그의 접근 방식은 수학자 클라우드 섀넌(Claude Shannon)의 정보 이론을 활용한다. 그는 1948년에 처음으로 수학적 이론에 기초하여 정보를 추상적으로 기술하여 비트의 형태로 정량화할 수 있게 했다. 정보 내용을 설명하기 위한 Shannon의 기본 공식은 Vopson 계산의 기초를 형성한다.

▲ 클로드 엘우드 섀넌(Claude Elwood Shannon, 1916-2001)은 미국의 수학자이자 전기 엔지니어였다.  그는 정보 이론의 창시자로 간주된다..

그의 연구를 위해 물리학자는 먼저 전자, 쿼크 및 이들로부터 구성된 양성자 또는 중성자 형태의 단일 물질 입자에 얼마나 많은 정보가 있는지 결정했다. 그의 계산에 따르면 평균 구성 요소에는 약 1,509비트의 정보 콘텐츠가 있다. 이 값은 Vopson이 설명하는 것처럼 개별 유형의 입자의 함량과 물질에서 차지하는 비율로 인해 발생하는 일종의 평균값이다.

물질의 입자는 몇 개일까?

다음 단계는 우주에 얼마나 많은 물질 입자가 있는지에 대한 질문이다.
대중 이론에 따르면 우주가 무한하다는 점을 감안할 때 이것은 거의 답이 없어 보인다.
Vopson은 여기에서 관찰 가능한 우주의 입자, 즉 우리가 순전히 물리적으로 그리고 우주의 나이를 기준으로 파악할 수 있는 한계만을 고려하여 관리했다.
그 결과 반지름이 약 465억 광년으로 추정되는 공간의 부피가 생긴다. 밀도, 중력 상수 및 허블 상수와 같은 다른 요인과 우주에 축적된 다양한 물질의 온도를 사용하여 Vopson은 이 공간에 있는 양성자, 중성자 및 전자의 수를 추정하는 데 사용하는 공식을 개발했다.

6.036 x 10^80비트 정보

그의 결과:
"계산에 따르면 관측 가능한 우주에는 이러한 입자가 약 4x10^80 포함돼 있다"고 Vopson은 보고했다. 이 수는 1940년 천체물리학자 아서 에딩턴이 우주의 양성자 수에 대해 외삽한 에딩턴 수와 대략 같은 범위에 있다.

Vopson에 따르면 원자 구성 요소의 수와 양성자, 중성자 또는 전자의 평균 정보 함량은 6.036x10^80비트의 우주의 모든 물질 입자에 포함된 정보의 양을 초래한다. 바이트로 표현하면 7.5 x 10^59제타바이트이다. 비교를 위해: 2020년에 전 세계적으로 생성 및 저장되는 디지털 데이터의 총량은 65제타바이트 미만이다.

중입자 물질에만 적용됨

모든 물질에 포함된 정보에 대한 Vopson의 값은 그러한 정량화에 대한 이전의 시도보다 낮다. 그러나 이러한 접근 방식을 사용하면 우주의 전체 정보 내용이 결정되고 안정적인 기본 입자인 전자, 쿼크, 양성자 및 중성자만 고려되었다고 물리학자는 말했다. 따라서 반물질, 암흑물질 및 중성미자와 같은 수명이 짧은 소립자는 포함되지 않았다.

"또한 이러한 불일치는 Shannon의 정보 이론에 따라 정보에 대한 가장 효과적인 압축 메커니즘을 가정했다는 사실로도 설명할 수 있다"고 Vopson은 설명했다. 그는 물질의 단일 입자의 정보 내용이 실험적으로 테스트될 수 있다는 사실에서 그의 접근 방식의 큰 장점을 본다. (AIP Advances, 2012, doi: 10.1063 / 5.0064475)
출처: American Institute of Physics

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]