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

2020 年 8 月 15 日 学术头条

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。

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。

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。

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。

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。

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
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