2245年，地球質量的一半將轉化為數字信息質量

2020-08-16 虎嗅APP

本文來自微信公眾號：學術頭條（ID：SciTouTiao），編審：王新凱，題圖來自：視覺中國。原標題《科技進步與「信息災難」：2245年，地球質量的一半將轉化為數字信息質量》

如今，人們的日常生活中充斥著各種數字信息，社交、工作、娛樂，一切都以數字信息為主。試想一下，未來地球的主要存在形式不再是有實體的物質，而是一個一個的數字信息。

或許你認為，這種場景只會出現在科幻電影中，然而事實並非如此——我們如今正加速邁向一個數位化的世界，一個數位化的地球。

近日，AIP Advances 上發表的一篇文章指出，根據質能信息等效原理（The mass-energy-information equivalence principle）信息是物質的一種物理意義上的、並佔主導地位的第五種存在形式（液體、固體、氣體和等離子體之外）。

如果科學家們的猜想得到證實，最終，我們將達到一個完全飽和的點，根據方程原理計算，數據的位數總量將超過地球上的原子數的總和，我們將構建一個「主要由計算機模擬並由數字比特和計算機代碼主導的世界」，這個場景的到來，將只是一個時間問題。

科技進步帶來的「信息災難」

自從 1947 年首次發現電晶體和 1956 年首次發現集成微晶片以來，我們的社會經歷了巨大的技術發展。在矽谷革命開始後的半個多世紀裡，我們取得了前所未有的計算能力、無線技術、網際網路、人工智慧，以及顯示技術、移動通信、交通和醫藥等方面的多項技術進步。

當我們燃燒化石能源煤炭、石油、天然氣，開採金屬資源銅、矽和鋁等來維持大量的計算機處理器正常運轉，並進行海量的數字信息分析操作時，我們或許沒有意識到，這一在科技上的進步，計算機的引進與數據化的滲透，正在重新分配改造地球上的物質：將它們從物理原子轉換到數字信息的形態——也就是物質除了液體、固體、氣體和等離子以外的第五種狀態。

事實上，數字信息是一種有價值的商品，也是當今世界上數一數二的高科技公司的靈魂支柱。

按時間順序列出了一些關鍵的技術裡程碑，它們促成了當今數字信息生產的快速和不可阻擋的增長趨勢。

IBM 估計，目前數字內容生產的速度大約是每天 2.5 萬億數字數據字節(2.5×10^18 字節或 2.5×10^9 Gb)。由於 1 字節是由 8 位數字信息組成的，地球上每天產生的位的總數是 2×10^19。

假設以每年 20% 的速度增長，我們估計從現在起 350 年後，數字比特的數量將超過地球上所有原子的數量。而 300 年後，維持這種數字生產所需的能耗功率將超過 18.5×10^15 瓦，即根據質能信息等效原理，數字信息質量將佔到地球質量的一半以上。

屆時，除了現有的全球挑戰，如氣候、環境、人口、糧食、健康、能源和安全，我們估計還要面對這個星球上的另一種特殊事件，即信息災難。

質能信息等效原理

2019 年，Melvin Vopson 利用了愛因斯坦廣義相對論中的質能等效性制定了一個原理，假設信息像其他物質一樣在質量和能量狀態之間移動。

「質能信息等效原理建立在這些概念之上，並開闢了一個巨大的新物理領域，特別是宇宙學領域，」他說，「當一個人將信息內容引入現有的物理理論時，它幾乎就像是物理學中所有事物的一個額外維度。」

為了更好的理解這個概念，根據文章中闡述的思想，我們可以這樣來探討這些含義: 試圖想像一下，信息不只是一個抽象的數字狀態，而是物理的。

早在 1961 年，Rolf Landauer 首先提出了熱力學和信息之間的聯繫。Landauer 預測，擦除信息需要消耗能量，最小單位為 kBT·ln(2)，其中，kB 是玻爾茲曼常數，T 是存儲信息的溫度。質能信息等效原理本質上，將一點信息可以被看作是一個抽象的信息粒子，沒有電荷，沒有自旋，靜止質量，滿足 mbit = (kBT·ln(2))/c2，其中 c 是光速。

事實上，有人提出，信息不僅是固體、液體、氣體和等離子體等物質的第五種形式，而且可能是宇宙中物質的主要形式。

傳奇物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒認為宇宙由三部分組成:粒子、場和信息。事實上，惠勒提議從資訊理論的角度重新構建整個物理學。此外，其他科學家也獨立估計了一些信息的質量，而宇宙的信息內容一直是新理論和新想法的核心部分，包括黑洞和全息原理、計算宇宙、湧現的引力和量化的慣性。

由於能量守恆，需要輸入相同值的能量 kBT·ln(2)來創建一點信息，這就是所謂的蘭道爾原理。從熱力學的角度出發，人們很自然地會問，是什麼力量被消耗了，才能支持我們完成如此大量的數字內容處理？

事實上，消耗的電量佔了很大一部分。根據一份關於全球用電量的估算報告顯示，到 2030 年，通信技術將佔用全球 51% 的用電量。

創建數字信息所需的電量逐年增加，與當今地球能耗做對比

利用質能信息等效原理，室溫下一個數字位信息的靜止質量為 mbit = 3.19×10−38 kg，從而我們可以估算出現在每年在地球上創造/轉換了多少信息量。

假設一個保守的數字內容創造的年增長率為 1%, 根據原理方程，研究人員估計，它將在 3150 年完成第一個 1 公斤的數字信息質量的累計，並在 8800 年達到地球質量的一半的。而當增長率變為 5%、20% 和 50% 時，這些數字將變得更加極端。

研究人員表示，如果數字內容生產以 5% 的速度增長，在 675 年後出現第一個 1 公斤的信息質量，1830 年後達到半個行星的質量。同樣，以 20% 和 50% 的增長率計算，1 公斤信息質量的時間分別為 188 年和 50 年，地球質量一半的時間分別為 495 年和 225 年。

本質上，在最極端的情況下我們的數字信息生產每年增長率維持在 50%；到 2070 年，我們將有 1 公斤的數字內容存儲在地球上所有的傳統和雲數據存儲中心和端點，如個人電腦、智慧型手機、物聯網設備，到 2245 年，地球質量的一半將由數字信息質量構成。

「科技災難」離我們究竟還有多遠

「數字信息的增長似乎真的不可阻擋。」Vopson 說，「根據 IBM 和其他大數據研究機構的數據，當今世界 90% 的數據都是在過去 10 年裡創建的。在某種程度上，當前的 COVID-19 大流行加速了這一進程，因為使用和生產的數字內容比以往任何時候都多。」

「我們正在一點一點地改變地球，這是一場看不見的危機。」Melvin Vopson 研究了推動數字進化的因素。他表示，數據的數量、產生數據的能量以及物理和數字質量的分布將很快淹沒這個星球。

例如，利用目前的數據存儲密度計算，每年產生的比特數和比特的大小與一個原子的大小相比，以每年 50% 的速度增長，大約 150 年後，比特的數量將等於地球上原子的數量，大約 130 年後，維持數字信息創造所需的能量將等於目前地球上所產生的所有能量。

屆時，驚人增長的數字信息將達到一個奇點，人類創造的數字信息比特數將超過地球上的原子數。與此同時，單單數字信息生產就會消耗掉地球上大部分的能源，這就引發了一系列的倫理和環境挑戰。

在這種情況下，如果我們能尋找到解決地球上有限能源的辦法，我們甚至可以設想未來的世界主要由計算機模擬，並由數字比特和計算機代碼控制。

雖然 2019 年提出的質能信息等效原理尚未得到實驗驗證，但如果這一理論是正確的，那麼在不遠的將來，我們這顆行星的大部分質量將由信息組成。

而這場「信息危機」的發生，也將僅僅是時間的問題。

參考文獻：

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

本文來自微信公眾號：學術頭條（ID：SciTouTiao），編審：王新凱，題圖來自：視覺中國

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  • 「信息災難」理論：2245年，地球一半質量轉化為數字信息
    然而，在短短幾個世紀內，人類每年產生的數字比特總量就將超過地球上的原子數量；更令人驚奇的是，這些信息可能將佔到地球質量的一半。這一令人不可思議的結論來自於一項新研究，研究者對數據隨時間的增長進行了觀察，並提出了這種增長可能帶來的災難性後果。　　我們生活在信息無比豐富的時代。
  • 科技進步與「信息災難」：2245年地球的一半將轉化為數字信息質量
    而 300 年後，維持這種數字生產所需的能耗功率將超過 18.5×10^15 瓦，即根據質能信息等效原理，數字信息質量將佔到地球質量的一半以上。屆時，除了現有的全球挑戰，如氣候、環境、人口、糧食、健康、能源和安全，我們估計還要面對這個星球上的另一種特殊事件，即信息災難。
  • 到2245年，地球質量的一半將轉換為數字信息質量
    當我們使用煤炭，石油，天然氣，銅，矽和鋁等資源為大型計算機廠供電並處理數字信息時，我們的技術進步是將地球物質從物理原子重新分配到數字信息-物質的第五種狀態，以及液體，固體，氣體和等離子。最終，我們將達到一個完全飽和的點，這是我們進化的一個時期，在此期間，數字位將超過地球上的原子，「主要是計算機模擬並由數字位和計算機代碼控制的世界」。
  • 地球正在被「比特」化，2245年或將喪失一半的質量
    他認為，雖然信息是無形的，但信息可能是有質量的。「二向箔」毀滅了太陽系，而人類發明的「比特」可能會吃掉地球。當前全球數字信息的總量大約是10²¹比特，且在迅猛地增長著。這其中有90%是最近10年才產生的。假設數字內容每年的增長率為20%，那麼350年後，地球上的「比特」總量將比組成地球的原子總量（大約是10⁵⁰）還要多。
  • 研究人員表示，到 2245 年信息量可能佔世界質量的一半
    Vopson 還聲稱，數字比特正在走向壓倒地球的道路，最終將超過原子的數量。給數字信息分配質量的想法建立在一些現有數據點的基礎之上。Vopson 引用了 IBM 的一項估計，發現數據每天以 2.5 萬億字節的速度產生。
  • 到2245年，地球上一半的原子存儲著數字數據
    信息似乎無關緊要，但在短短幾個世紀內，人類每年產生的數字比特總量將超過地球上的原子數量，更令人意外的是，將佔到地球質量的一半。這是一項令人費解的新研究得出的結論，該研究觀察了數據隨時間的增長及其潛在的災難性後果。
  • 人類或已自創宇宙第五維度，信息質量將達地球質量一半
    不得不說這是一個非常新穎的觀點，按照這個假設，信息成了這個世界時間空間之外的第五維。兩百多年後，人類創造的全部信息，其比特數就將等於地球原子總和，質量達到地球質量的一半，從而造成類似世界末日的信息災難——奇點離我們可能已越來越近。
  • 人類或已自創宇宙第五維度,信息質量將達地球質量一半
    不得不說這是一個非常新穎的觀點，按照這個假設，信息成了這個世界時間空間之外的第五維。兩百多年後，人類創造的全部信息，其比特數就將等於地球原子總和，質量達到地球質量的一半，從而造成類似世界末日的信息災難——奇點離我們可能已越來越近。
  • 到2245年，世界一半的物質將是信息
    Vopson還聲稱，數字比特正在逐漸淹沒地球，最終將超過原子數量。把數字信息視為物質的想法是建立在一些現有數據點基礎上的。Vopson引用了IBM的一項估計，發現每天以2.5萬億字節的速度創建數據。他還考慮了每英寸超過1兆比特的數據存儲密度，以比較比特和原子的大小。
  • 「信息災難」即將來臨？150年內數字比特數量將超過地球原子數量
    根據一項新的研究，數字比特的數量將在150年內超過地球上的原子數量，有科學家警告「信息災難」即將來臨。該研究稱，到2170年，世界將「主要由計算機模擬，並由數字比特和計算機代碼主導」。將會有133的12次方(133後面有48個0)個比特存在——與地球上原子的估計數目相同。然而，支持信息傳遞所需的能量將等於目前地球上產生的所有能量，這將對環境方面的擔憂。根據這份報告，到2245年，數字內容的質量也將達到地球質量的一半——大約為6,000,000,000,000,000,000,000,000 (6 x 10的24次方)公斤。
  • 信息如果有重量,超過地球一半會怎樣?
    過去的 10 年，人類就製造了地球上 90% 的信息。也許我們正在改變地球存在的形態，卻不自知。1947 年，第一個電晶體誕生。從此地球上有了以數字形式存在的信息，它的基本單位是比特。與之對應，物質的基本單位是原子。根據 IBM 估計，現在地球上每天產生的數字信息是 2.5 × 10 字節。
  • 信息如果有重量，超過地球一半會怎樣？
    過去的 10 年，人類就製造了地球上 90% 的信息。也許我們正在改變地球存在的形態，卻不自知。1947 年，第一個電晶體誕生。從此地球上有了以數字形式存在的信息，它的基本單位是比特。與之對應，物質的基本單位是原子。
  • 信息大爆炸或將威脅人類？屆時改變一半地球？看看這理論合不合理
    在瑞典華為技術公司公布的一份報告中稱，到2030年，全球一半的電力將用於信息方面，包括消費設備、數據中心和通信網絡的用電量。根據能量和質量可以互相轉換這一原理，我們可以估計出每年生成的信息，重量是多少。目前每年能生成233公斤的信息，這沒多重。但信息量是以指數級爆炸增長的，假設信息每年比前年多50%，再過225年，生成的信息質量將是地球質量的一半！
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    在網絡異常發達的今天，絕大多數人還是分得清虛擬和現實，這是因為到目前為止，地球上的真實數據，也就是原子數據，遠遠大於虛擬數據。然而隨著信息化時代的到來，越來越多的數字數據誕生，在智慧型手機和電腦普及的今天，任何人在任何地點都可以產生大量的數據，在過去的10年時間裡，人類生產了全球90%的數字數據，並且這一數據還在以指數倍增長。
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    質能轉換公式是全世界最著名的公式之一，它描述的是所有具有質量的物體都潛藏著巨大的能量。比如說，一隻五千克的貓，其質量擁有的能量能讓挪威這個國家供電一整年。但前提是我們有將貓所含有的能量完全提取出來的方法。但我們發現，要高效地將質量轉化為能量是件非常困難的事。
  • 核武器把質量轉化為能量，我們能反其道而行把能量轉為質量嗎？
    質量和能量是事物的兩個方面，當核武器發生核反應時，不管是聚變反應還是裂變反應，它都將失去質量轉變為巨大的能量輸出。可能很多人對這個數字沒什麼概念，為了讓大家了解這個能量的巨大，我們舉個生活中的例子。假如這1克物質產生的能量可以全部轉化為電能，那麼它可以提供一個100瓦的燈泡持續點亮28萬年。
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  • 為什麼黑洞是將質量轉化為能量的最有效的方式
    但它最明顯的後果之一，就是即使是少量的質量也能產生巨大的能量。在MinutePhysics 給出的這段視頻中，舉出的例子是，如果一隻貓的能量能夠被完全提取出來，那將可為挪威整個國家提供一年的電力。不幸的是，事情並沒有那麼簡單。實際上，要從物質中提取能量是非常困難的。
  • 哪些是質量轉化為能量的過程?質量和能量是等價的嗎?
    從愛因斯坦的質能方程(E=mc^2)來看，質量和能量在本質上是等價的。核聚變反應(比如氫彈和恆星)、核裂變反應(原子彈和核電站)、放射性衰變以及正反物質的湮滅反應，這些過程都是質量轉化為能量的過程。既然質能等效，並且質量能夠轉化為能量，反過來，能量也是能夠轉化為質量。在很多高能粒子加速器(比如大型強子對撞機)中，就是利用能量來產生新粒子，以驗證理論預言。