2245年,地球质量的一半将转化为数字信息质量
2020-08-16 10:56

2245年,地球质量的一半将转化为数字信息质量

本文来自微信公众号:学术头条(ID:SciTouTiao),编审:王新凯,题图来自:视觉中国。原标题《科技进步与“信息灾难”:2245年,地球质量的一半将转化为数字信息质量》


如今,人们的日常生活中充斥着各种数字信息,社交、工作、娱乐,一切都以数字信息为主。试想一下,未来地球的主要存在形式不再是有实体的物质,而是一个一个的数字信息。


或许你认为,这种场景只会出现在科幻电影中,然而事实并非如此——我们如今正加速迈向一个数字化的世界,一个数字化的地球。


近日,AIP Advances 上发表的一篇文章指出,根据质能信息等效原理(The mass-energy-information equivalence principle)信息是物质的一种物理意义上的、并占主导地位的第五种存在形式(液体、固体、气体和等离子体之外)。


如果科学家们的猜想得到证实,最终,我们将达到一个完全饱和的点,根据方程原理计算,数据的位数总量将超过地球上的原子数的总和,我们将构建一个“主要由计算机模拟并由数字比特和计算机代码主导的世界”,这个场景的到来,将只是一个时间问题。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量


科技进步带来的“信息灾难”


自从 1947 年首次发现晶体管和 1956 年首次发现集成微芯片以来,我们的社会经历了巨大的技术发展。在硅谷革命开始后的半个多世纪里,我们取得了前所未有的计算能力、无线技术、互联网、人工智能,以及显示技术、移动通信、交通和医药等方面的多项技术进步。


当我们燃烧化石能源煤炭、石油、天然气,开采金属资源铜、硅和铝等来维持大量的计算机处理器正常运转,并进行海量的数字信息分析操作时,我们或许没有意识到,这一在科技上的进步,计算机的引进与数据化的渗透,正在重新分配改造地球上的物质:将它们从物理原子转换到数字信息的形态——也就是物质除了液体、固体、气体和等离子以外的第五种状态。


事实上,数字信息是一种有价值的商品,也是当今世界上数一数二的高科技公司的灵魂支柱。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量


按时间顺序列出了一些关键的技术里程碑,它们促成了当今数字信息生产的快速和不可阻挡的增长趋势。


IBM 估计,目前数字内容生产的速度大约是每天 2.5 万亿数字数据字节(2.5×10^18 字节或 2.5×10^9 Gb)。由于 1 字节是由 8 位数字信息组成的,地球上每天产生的位的总数是 2×10^19。


假设以每年 20% 的速度增长,我们估计从现在起 350 年后,数字比特的数量将超过地球上所有原子的数量。而 300 年后,维持这种数字生产所需的能耗功率将超过 18.5×10^15 瓦,即根据质能信息等效原理,数字信息质量将占到地球质量的一半以上。


届时,除了现有的全球挑战,如气候、环境、人口、粮食、健康、能源和安全,我们估计还要面对这个星球上的另一种特殊事件,即信息灾难。


质能信息等效原理


2019 年,Melvin Vopson 利用了爱因斯坦广义相对论中的质能等效性制定了一个原理,假设信息像其他物质一样在质量和能量状态之间移动。


“质能信息等效原理建立在这些概念之上,并开辟了一个巨大的新物理领域,特别是宇宙学领域,”他说,“当一个人将信息内容引入现有的物理理论时,它几乎就像是物理学中所有事物的一个额外维度。”


为了更好的理解这个概念,根据文章中阐述的思想,我们可以这样来探讨这些含义: 试图想象一下,信息不只是一个抽象的数字状态,而是物理的。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量


早在 1961 年,Rolf Landauer 首先提出了热力学和信息之间的联系。Landauer 预测,擦除信息需要消耗能量,最小单位为 kBT·ln(2),其中,kB 是玻尔兹曼常数,T 是存储信息的温度。质能信息等效原理本质上,将一点信息可以被看作是一个抽象的信息粒子,没有电荷,没有自旋,静止质量,满足 mbit = (kBT·ln(2))/c2,其中 c 是光速。


事实上,有人提出,信息不仅是固体、液体、气体和等离子体等物质的第五种形式,而且可能是宇宙中物质的主要形式。


传奇物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒认为宇宙由三部分组成:粒子、场和信息。事实上,惠勒提议从信息论的角度重新构建整个物理学。此外,其他科学家也独立估计了一些信息的质量,而宇宙的信息内容一直是新理论和新想法的核心部分,包括黑洞和全息原理、计算宇宙、涌现的引力和量化的惯性。


由于能量守恒,需要输入相同值的能量 kBT·ln(2)来创建一点信息,这就是所谓的兰道尔原理。从热力学的角度出发,人们很自然地会问,是什么力量被消耗了,才能支持我们完成如此大量的数字内容处理?


事实上,消耗的电量占了很大一部分。根据一份关于全球用电量的估算报告显示,到 2030 年,通信技术将占用全球 51% 的用电量。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量

创建数字信息所需的电量逐年增加,与当今地球能耗做对比


利用质能信息等效原理,室温下一个数字位信息的静止质量为 mbit = 3.19×10−38 kg,从而我们可以估算出现在每年在地球上创造/转换了多少信息量。


假设一个保守的数字内容创造的年增长率为 1%, 根据原理方程,研究人员估计,它将在 3150 年完成第一个 1 公斤的数字信息质量的累计,并在 8800 年达到地球质量的一半的。而当增长率变为 5%、20% 和 50% 时,这些数字将变得更加极端。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量


研究人员表示,如果数字内容生产以 5% 的速度增长,在 675 年后出现第一个 1 公斤的信息质量,1830 年后达到半个行星的质量。同样,以 20% 和 50% 的增长率计算,1 公斤信息质量的时间分别为 188 年和 50 年,地球质量一半的时间分别为 495 年和 225 年。


本质上,在最极端的情况下我们的数字信息生产每年增长率维持在 50%;到 2070 年,我们将有 1 公斤的数字内容存储在地球上所有的传统和云数据存储中心和端点,如个人电脑、智能手机、物联网设备,到 2245 年,地球质量的一半将由数字信息质量构成。


“科技灾难”离我们究竟还有多远


“数字信息的增长似乎真的不可阻挡。”Vopson 说,“根据 IBM 和其他大数据研究机构的数据,当今世界 90% 的数据都是在过去 10 年里创建的。在某种程度上,当前的 COVID-19 大流行加速了这一进程,因为使用和生产的数字内容比以往任何时候都多。”


“我们正在一点一点地改变地球,这是一场看不见的危机。”Melvin Vopson 研究了推动数字进化的因素。他表示,数据的数量、产生数据的能量以及物理和数字质量的分布将很快淹没这个星球。


科技进步与“信息灾难”:2245年地球的一半将转化为数字信息质量


例如,利用目前的数据存储密度计算,每年产生的比特数和比特的大小与一个原子的大小相比,以每年 50% 的速度增长,大约 150 年后,比特的数量将等于地球上原子的数量,大约 130 年后,维持数字信息创造所需的能量将等于目前地球上所产生的所有能量。


届时,惊人增长的数字信息将达到一个奇点,人类创造的数字信息比特数将超过地球上的原子数。与此同时,单单数字信息生产就会消耗掉地球上大部分的能源,这就引发了一系列的伦理和环境挑战。


在这种情况下,如果我们能寻找到解决地球上有限能源的办法,我们甚至可以设想未来的世界主要由计算机模拟,并由数字比特和计算机代码控制。


虽然 2019 年提出的质能信息等效原理尚未得到实验验证,但如果这一理论是正确的,那么在不远的将来,我们这颗行星的大部分质量将由信息组成。


而这场“信息危机”的发生,也将仅仅是时间的问题。


参考文献:
The information catastrophe,AIP Advances 10, 085014 (2020);https://doi.org/10.1063/5.0019941
Digital content on track to equal half Earth’s mass by 2245. (n.d.). EurekAlert! Retrieved August 12, 2020, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aiop-dco080620.php


本文来自微信公众号:学术头条(ID:SciTouTiao),编审:王新凯,题图来自:视觉中国


本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系hezuo@huxiu.com
如对本稿件有异议或投诉,请联系tougao@huxiu.com
正在改变与想要改变世界的人,都在 虎嗅APP
赞赏
关闭赞赏 开启赞赏

支持一下   修改

确定

相关推荐