Une expérience pourrait confirmer l’existence d’un 5e état de la matière : l’information

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| Pete Linforth
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Le Dr Melvin Vopson, physicien à l’École de mathématiques et de physique de l’Université de Portsmouth, est l’auteur de plusieurs études suggérant que l’information possède une masse et que toutes les particules élémentaires stockent ainsi des informations sur elles-mêmes. Il propose aujourd’hui un protocole expérimental qui permettrait de vérifier son hypothèse et aussi de confirmer que l’information est le cinquième état de la matière. Cette expérience implique un processus d’annihilation matière-antimatière.

Chaque jour sur Terre, nous générons 500 × 106 tweets, 294 × 109 e-mails, 4 × 106 gigaoctets de données Facebook, 65 × 109 messages WhatsApp et 720 000 heures de nouveaux contenus sur YouTube. En 2018, la quantité totale de données créées, capturées, copiées et consommées dans le monde était de 33 zettaoctets (ZB), soit l’équivalent de 264 × 1021 bits. Ce chiffre est passé à 59 ZB en 2020 et devrait atteindre 175 ZB en 2025. À ce rythme, dans environ 350 ans, nous créerons plus de bits numériques qu’il y a d’atomes sur Terre (soit environ 1050) !

Ce phénomène, prédit par le Dr Melvin Vopson, a été appelé la « catastrophe de l’information ». Dans un article publié en 2020 dans AIP Advances, il explique qu’en 2245, la moitié de la masse de la planète sera constituée de bits numériques. Vopson est à l’origine de deux conjectures importantes, appelées « conjectures de l’information » : le principe d’équivalence masse-énergie-information, selon lequel l’information se transcende en masse ou en énergie en fonction de son état physique, et l’existence d’une information intrinsèque sous-tendant les caractéristiques fondamentales des particules élémentaires. L’expérience qu’il présente aujourd’hui permettrait à la fois de confirmer ces deux conjectures et de prouver que l’information constitue un cinquième état de la matière dans l’Univers.

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Une information théoriquement convertie en photons infrarouges

Le protocole expérimental proposé repose sur la collision d’une particule avec son antiparticule. Lorsqu’un électron et un positron s’annihilent, la réaction crée deux photons gamma de 511 keV résultant de la conversion de leurs masses au repos en énergie ; Vopson prédit ici que deux photons supplémentaires de faible énergie devraient être détectés, résultant de l’effacement de leur contenu informationnel. « À température ambiante, une annihilation positron-électron devrait produire deux photons infrarouges d’environ 50 µm de longueur d’onde dus à l’effacement de l’information », précise-t-il dans AIP Advances.

principe annihilation électron-positron
Représentation schématique du processus d’annihilation positron-électron. (a) Processus standard d’annihilation positron-électron qui produit deux photons gamma de 511 keV uniquement ; (b) processus d’annihilation positron-électron qui produit deux photons gamma de 511 keV et deux photons supplémentaires à faible énergie dus à l’effacement de leurs informations. © M. Vopson

Si l’expérience fournit les résultats attendus par le physicien, cela bouleverserait complètement notre vision du monde et entraînerait sans doute un tout nouveau domaine de recherche. « Cela changerait la physique telle que nous la connaissons et élargirait notre compréhension de l’univers. Mais cela n’entrerait en conflit avec aucune des lois existantes de la physique », souligne Vopson dans un communiqué.

Le chercheur a toujours prétendu que l’information était un pilier de l’univers et qu’à ce titre, elle avait une masse au sens physique du terme. L’information pourrait même être la mystérieuse matière noire qui représente près de 27% de la densité d’énergie de l’univers. Son existence en tant qu’état de la matière ne contredirait pas la mécanique quantique ou classique, ni l’électrodynamique ou la thermodynamique. Elle viendrait simplement compléter toutes les lois connues de la physique.

1509 bits d’informations stockés dans chaque particule ?

Une estimation récente a donné une limite supérieure d’environ 6 × 1080 bits à la quantité de données numériques qui pourraient être stockées dans tout l’univers. Cette étude était basée sur la théorie de l’information de Shannon, en supposant le mécanisme de compression le plus efficace, qui a donné une valeur de 1288 bits d’information stockés par électron, proton et neutron ; en prenant en compte les quarks, le nombre grimpait à 1509 bits par particule.

Selon le principe d’équivalence masse-énergie-information, la masse au repos de l’électron est la somme de sa masse physique et de la masse d’information qu’il contient. Considérant que cette dernière équivaut à 1288 bits, Vopson en déduit que la masse au repos de l’électron est environ 22 millions de fois plus grande que sa masse d’information, ce qui confirme que la masse de l’électron est bien approximée par sa masse physique au repos, tandis que sa masse d’information est négligeable — ce qui rend le test expérimental impossible via des mesures directes de changement de masse.

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C’est pourquoi le physicien a eu l’idée de recourir au processus d’annihilation, dans lequel les énergies de masse au repos et les énergies cinétiques de l’électron et du positron sont converties en rayonnement. Les masses au repos de l’électron et du positron, ainsi que leurs contenus informationnels, doivent être égaux entre eux : la conservation de l’énergie garantit que deux photons gamma d’environ 511 keV sont produits ; si les particules stockent effectivement de l’information, lors de l’annihilation, ce contenu doit également être conservé en produisant deux photons d’énergie d’information.

schéma détection information particules
Schéma de principe de l’expérience proposée d’annihilation positron-électron pour la détection du contenu informationnel dans la matière. © M. Vopson

« L’expérience doit être conçue pour s’assurer que non seulement les deux photons gamma de 511 keV soient détectés, mais aussi les deux photons infrarouges supplémentaires », souligne le physicien. Pour ce faire, il propose d’utiliser des positrons générés par une source radioactive de 22Na, de par son rendement élevé en positrons. Ceux-ci sont toutefois de haute énergie, le matériau de l’échantillon doit donc être suffisamment épais pour les absorber, mais aussi suffisamment mince pour garantir qu’il n’atténue ni les rayons gamma ni les photons infrarouges générés. Pour contourner le problème, Vopson suggère de recouvrir la source de sodium d’un film mince de tungstène ; il recommande également l’usage d’un film mince en aluminium comme matériau cible pour assurer une forte probabilité d’annihilation électron-positron.

« L’outil de contrôle principal est le fait que la longueur d’onde des photons infrarouges d’énergie d’information doit se déplacer avec la température de l’échantillon. En réalisant les expériences à différentes températures, la détection du décalage de longueur d’onde des photons serait une ultime confirmation de cette hypothèse », conclut le physicien.

Source : M. Vopson, AIP Advances

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