宇宙的基本组成部分：如果万物皆为信息会怎样？

如果一切皆只是信息呢？

信息可能是宇宙的基本组成部分，与物质、能量、空间和时间同等重要。这一观点基于三大支柱：兰道尔原理（擦除一个比特的信息会耗散能量）、黑洞信息悖论（由此衍生出全息原理，即三维空间的信息可编码于二维表面），以及约翰·惠勒的“万物源于比特”格言。因此，信息不再仅仅是数学概念，而是一种物理量。

从物质到信息：范式的转变

几个世纪以来，物理学一直试图将宇宙的复杂性还原为最基本的组成部分。我们将物质、能量、空间和时间视为现实世界的支柱。但最新的理论提出了一个问题：如果拼图中缺失了一块呢？如果在粒子舞蹈和时空弯曲的背后，隐藏着一个更基本的实体——信息呢？

这个想法可能显得抽象，甚至带有哲学意味。然而，它却是理论物理学中一些最深刻进展的核心，将黑洞热力学与量子力学联系起来。信息不再仅仅是一个数学概念或衡量我们无知程度的标尺；它可能是一种物理量，具有自身的实在性，与质量或能量同等重要。

兰道尔原理：当信息遇见物理

一个革命性的想法

信息与物理学之间的第一座坚实桥梁，是由在IBM工作的德国物理学家罗尔夫·兰道尔（1927-1999）搭建的。1961年，他在一篇题为《计算过程中的不可逆性与热量产生》的文章中，阐述了一条成为基础的原则：信息具有物理实在性。他著名的兰道尔原理指出，在任何计算系统中，不可逆地擦除一个比特的信息，必然伴随着以热量形式耗散的能量。

连接信息与热力学的公式

数学上，这由以下方程表示： \( E = k_B T \ln 2 \) 其中 \(E\) 是耗散的最小能量，\(k_B\) 是玻尔兹曼常数，\(T\) 是系统的温度。这是一条基本的自然法则。信息虽无形，但其操作与擦除会产生物理后果，可在物质世界中测量。这首次明确证明信息是一种受热力学支配的物理量。兰道尔原理于2012年由法国原子能委员会萨克雷实验室的研究人员通过实验验证：他们用激光捕获微观粒子模拟“比特”，并测量了擦除过程中产生的热量。

信息悖论

信息的作用在黑洞研究中变得不可回避。20世纪70年代，雅各布·贝肯斯坦（1947-2015）和斯蒂芬·霍金（1942-2018）彻底改变了我们对这些天体的理解。霍金证明，黑洞并非完全漆黑：它会发出辐射（霍金辐射），并最终蒸发殆尽。

丢失的信息会怎样？

这引发了一个重大问题：信息悖论。如果黑洞蒸发，落入其中的物体信息会怎样？信息会被摧毁吗？在量子物理学中，孤立系统中的信息无法被真正抹除。信息可以隐藏或分散，但永远不会丢失。解决这一悖论的潜在方案源于贝肯斯坦的另一项发现：黑洞的熵与其事件视界的表面积成正比，而非其体积。

全息原理

一个区域所能包含的最大信息量与其边界的表面积成正比。由此思想诞生了全息原理，由杰拉德·特·胡夫特（1946年出生）和伦纳德·萨斯坎德（1940年出生）共同提出。根据这一大胆的理论，我们对三维宇宙（长、宽、高）的感知可能只是一种投影，如同一个巨大的全息图。描述我们现实的所有信息实际上可能编码在位于宇宙边缘的二维表面上。我们眼中的立体空间，不过是这个表面投射出的"三维影像"。

信息作为基本构成要素：数字转向

如果信息与熵、能量以及时空几何如此紧密相连，它难道不能比物质本身更为根本吗？这是物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（1911-2008）提出的假说，他推广了“万物源于比特”这一格言。物理现实的每一个要素（万物）都源于信息（比特）这一根本基础。宇宙将是一个巨大的量子系统，它通过计算自身的现实，从而衍生出时空与物质能量。

主要物理理论中的信息

注：尽管这些概念深深植根于理论物理学，但尚未形成共识。信息作为与时空并列的基本组成部分的地位，仍是一个处于量子物理学、宇宙学和科学哲学交叉领域的工作假说。

迈向信息物理学

迄今为止，我们一直将宇宙视为物理现象上演的舞台，而自身不过是旁观者。信息或许并非可触摸的"实物"，却极有可能是构建现实结构的隐秘要素。这个引人入胜的观点，正邀请我们重新思考自身在宇宙中的位置！

信息与基础物理学联系的概念总结
概念 / 原则	由……提出	关键思想
兰道尔原理（1961）	罗尔夫·兰道尔（1927-1999）	擦除一个比特的信息会耗散能量，该现象已于2012年通过实验验证。信息具有热力学实在性。
黑洞熵（1972）	雅各布·贝肯斯坦（1947-2015）	黑洞的熵与其视界的表面积成正比。将信息与几何联系起来。
霍金辐射（1974）	斯蒂芬·霍金（1942-2018）	黑洞会辐射并蒸发，从而引发信息守恒悖论。
“It from bit”（1989）	约翰·阿奇博尔德·惠勒（1911-2008）	物理对象（它）的存在源于信息（比特）。信息是根本的。
全息原理（1993）	杰拉德·特·胡夫特（Gerard 't Hooft，1946年生），伦纳德·萨斯坎德（Leonard Susskind，1940年生）	一个体积内包含的所有信息都可以编码在其边界表面上。宇宙可能是一个全息图。这是一个得到有力支持但尚未被证实的假说。
量子信息力学	大卫·多伊奇（生于1953年）	物理现实是一个量子信息处理的过程。量子比特作为现实的基本构建单元。量子计算领域的活跃研究计划。