地球|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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
排版：赵辰霞
编审：王新凯
参考文献：
The information catastrophe ， AIP Advances 10, 085014 (2020);https://doi.org/10.1063/5.0019941
【地球|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】Digital content on track to equal half Earth’s mass by 2245. (n.d.). EurekAlert! Retrieved August 12, 2020, fromhttps://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aiop-dco080620.php
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