الأرض بمثابة القرص الصلب

ما هي سعة تخزين المعلومات على الأرض، وما مدى امتلاءها؟ الجواب يعلمنا أشياء مدهشة حول كيفية زيادة مستوى النظام في الكون / سيزار أ. هيدالجو

باختصار

فإذا عرفنا المعلومات كأمر ثم قمنا بحساب كمية المعلومات التي يمكن لكوكبنا أن يحملها، نجد أن القرص الصلب للأرض فارغ في الغالب، على الرغم من مليارات السنين من الحياة وآلاف السنين من النشاط الثقافي البشري.
يعلمنا هذا التمرين العقلي الكثير عن تكوين النظام في الكون. على الرغم من أن الكون معادي للنظام، لأن الإنتروبيا الكلية له تتزايد دائمًا، فإن المعلومات تزداد بمرور الوقت.
للبشر دور في نمو المعلومات على الأرض، لكننا لا نزال محدودين للغاية في قدرتنا على خلق النظام.

نشر سيث لويد، أستاذ الحوسبة الكمومية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، في عام 2002 معادلة تجعل من الممكن تقدير عدد البتات التي يمكن أن يحتويها الكون. تصف كلمة "بت" وحدة أساسية من المعلومات تمثل إجابة لسؤال "نعم" أو "لا". يقوم الكمبيوتر بتخزين البتات في الترانزستورات، ولكن يمكن أيضًا تشفير البتات في الحالة الفيزيائية للجسيم، على سبيل المثال دوران الإلكترون. تستخدم صيغة لويد فيزياء المعلومات لقياس معدل قدرة الأنظمة الفيزيائية على معالجة المعلومات وتخزينها. يتم حساب التقدير بناءً على ثابت بلانك (كمية صغيرة بشكل لا يصدق والتي تشكل أساس ميكانيكا الكم)، وسرعة الضوء، وعمر الكون. استنتج لويد أن الكون يمكن أن يحتوي على عدد هائل من البتات: 10 أس 90، أو تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون ميغابت.

طور لويد صيغته لأن عمله على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي تستخدم الذرات المفردة لتشفير المعلومات وإجراء الحسابات، دفعه إلى التفكير في الكون من حيث البتات الموجودة في الذرات. أجرى تجربة فكرية عندما سأل نفسه: "ما هو أكبر جهاز كمبيوتر سيتم بناؤه على الإطلاق؟" والجواب: جهاز كمبيوتر يستخدم كل ذرة في الكون. جهاز كمبيوتر يمكنه تخزين 10 قوة 90 بت.

لكن الشيء الجميل في صيغة لويد هو قدرتها على استخدامها لتقدير سعة المعلومات لأي نظام فيزيائي، وليس بالضرورة الكون بأكمله. في الآونة الأخيرة، ألهمتني صيغة لويدز أثناء بحثي في ​​القدرة الحسابية للاقتصادات الاقتصادية والمجتمعات البشرية. وتكاد صيغة لويدز لا تتضمن التعقيد المتأصل في اقتصاداتنا، ولكنها تسمح لنا بتقدير تقريبي لقدرة الأنظمة على تخزين المعلومات ومعالجتها. ولذلك سوف نفكر في الأرض باعتبارها القرص الصلب. وفقًا لصيغة لويدز، فإن كوكبنا قادر على تخزين 10 أس 56 بت، أي تريليون تريليون تريليون تريليون تريليون جيجابت تقريبًا. ولكن هل هذا القرص الصلب الكوكبي فارغ في الغالب أم ممتلئ تقريبًا؟

للإجابة على هذا السؤال ننتقل إلى دراسات مارتن هيلبرت وبريسيلا لوبيز. في عام 2011، عندما كان هيلبرت يعمل في جامعة جنوب كاليفورنيا ولوبيز في جامعة كاتالونيا في إسبانيا، نشرا تقديرًا لكمية المعلومات الثقافية المخزنة في النصوص والصور والأفلام الموجودة في العالم. وقد قدروا أنه بحلول عام 2007 كان البشر قد جمعوا 2 أس 10 من 21 بت، أو تريليوني جيجابت. ولكن هناك معلومات على كوكبنا أكثر بكثير مما تحتويه المنتجات الثقافية. وتتجسد المعلومات أيضًا في الأشياء التي صممها البشر وبنوها، مثل سياراتنا وأحذيتنا، وفي الأنظمة البيولوجية، مثل الريبوسومات والميتوكوندريا والحمض النووي. وبالفعل، فقد تبين أن معظم المعلومات التي تحتويها الأرض سيتم تخزينها في الكتلة البيولوجية. وفقًا لصيغة لويد، أقدر أن الأرض تحتوي فعليًا على حوالي 10 أس 44 بت. قد يبدو العدد كبيرًا، لكنه يمثل جزءًا صغيرًا من سعته المعلوماتية. إذا استمر البشر في إنشاء 10 إلى 21 بت كل عام، فسوف يستغرق الأمر تريليون مرة أطول من عمر الكون لملء القرص الصلب الكوكبي.

ما تعلمنا إياه هذه الحسابات هو أنه على الرغم من أن الأرض لديها قدرة هائلة على تخزين المعلومات، إلا أن النظام لا يزال سلعة نادرة. وهذه الرؤية بدورها تعلمنا الكثير عن الطريقة التي تخلق بها الأرض المعلومات وتعالجها، وعن العوائق التي قد تحد من نمو النظام في المستقبل.

الكون الحسابي

أول ما يكشفه فراغ المعلومات على كوكبنا هو أن المعلومات يصعب نموها: من الصعب إنتاجها، ومن الصعب الحفاظ عليها، ومن الصعب دمجها في تكوينات جديدة. تتناسب هذه الصعوبة بشكل جيد مع الملاحظات من الماضي ويمكن تفسيرها بالعداء الذي يظهره الكون تجاه ظهور النظام. وفقا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، فإن الكون لديه ميل طبيعي نحو الوسط، وهو ميل يلغي النظام. تتدفق الطاقة الحرارية من مكان حار إلى مكان بارد، وتتلاشى الموسيقى وتختفي عندما تمر عبر الهواء، وتتبدد الدوامات الموجودة في قهوتك المقلوبة بسرعة إلى سحب حليبية. يُعرف هذا الانتقال من النظام إلى الفوضى بزيادة في الإنتروبيا.

ومع ذلك، هناك ثغرات في هذا الاتجاه تسمح بظهور جيوب النظام. فكر في الخلية البيولوجية، أو جسم الإنسان، أو الاقتصاد الذي بناه البشر. هذه الأنظمة منظمة للغاية وتتغلب على الزيادة الفيزيائية في الإنتروبيا، وإن كان ذلك محليًا فقط. لا يمكن للأنظمة الغنية بالمعلومات أن توجد إلا إذا "أطلقت" الإنتروبيا عند حوافها، فقط إذا دفعت مقابل المستوى العالي من التنظيم من خلال تبديد الحرارة. وكما قال الكيميائي الحائز على جائزة نوبل إيليا بريجوزين بحكمة: "الإنتروبيا هي ثمن التنظيم".

هناك ثلاث حيل في عالمنا تسمح للنظام بالظهور أو الحفاظ عليه. الأول، وربما الأكثر شهرة، يتعلق بتدفق الطاقة. تخيل حوض استحمام مملوءًا بالماء: تتناثر جزيئات الماء من بعضها البعض في كل الاتجاهات بشكل عشوائي حتى تقوم بإزالة السدادة. وبمجرد أن يبدأ الماء بالتسارع نحو نقطة التصريف، وتزداد الطاقة الحركية للسائل، تظهر الدوامة. داخل هذه الدوامة، يتم تحقيق النظام: كل جزيء في الدوامة له سرعة مماثلة لسرعة جيرانه، سواء في حجم السرعة أو في اتجاهها. هذه المراسلات هي المصدر الأساسي للمعلومات العيانية. لكي نفهم ديمومة المعلومات، وليس مجرد تكوينها، نحتاج إلى الحيلة الثانية: وجود المواد الصلبة. الأجسام الصلبة، مثل الحمض النووي، تحافظ على النظام لفترة طويلة. وبدونها، ستكون المعلومات سائلة جدًا بحيث لا يمكن أن تستمر وتتواصل وتنمو.
ولكن من أجل تفسير ظهور أشكال أكثر تعقيدا من النظام (مثل المعلومات المتأصلة في مدينة أو اقتصاد ما) أو تشكيل النظام الذي أدى إلى وجود الحياة والمجتمعات على الأرض، نحتاج إلى الحيلة الثالثة: القدرة على من المسألة لحساب. الشجرة، على سبيل المثال، هي جهاز كمبيوتر يعرف الاتجاه الذي تنمو فيه جذورها وعليها. تعرف الأشجار متى تقوم بتشغيل أو إيقاف جينات معينة لمحاربة الطفيليات، ومتى تذبل، ومتى تحرق أوراقها، وكيفية حصاد ثاني أكسيد الكربون من الهواء من خلال عملية التمثيل الضوئي. كأجهزة كمبيوتر، تولد الأشجار النظام في البنية المجهرية لفروعها والبنية المجهرية لخلاياها. في معظم الأحيان، لا نرى الأشجار كأجهزة كمبيوتر، ولكن في الواقع تساهم الأشجار في نمو المعلومات على كوكبنا على وجه التحديد لأنها تقوم بإجراء الحسابات.

خيال متماسك

ويمكننا أن نتعلم شيئا آخر أكثر إثارة للدهشة من التفكير في كوكبنا باعتباره قرصا صلبا: على الرغم من القوى المحتشدة ضد ظهور النظام، فإن المعلومات تنمو تدريجيا. إن القرص الصلب للأرض ممتلئ اليوم أكثر مما كان عليه بالأمس أو قبل مليار سنة. وهو ممتلئ جزئيًا لأن الحياة قد ظهرت عليه: فالكتلة البيولوجية تحتوي على قدر كبير من المعلومات. لكن نمو النظام في العالم ينتج أيضًا عن إنتاج المعلومات الثقافية.

ولكي نفهم السبب، سنتفحص الفرق بين التفاح الذي ينمو على الأشجار وبين "التفاح"، أي أجهزة الآيفون من شركة آبل، التي يحملها البعض منا في جيوبه للتحقق من رسائل البريد الإلكتروني. ولأغراضنا، نحن مهتمون فقط بأصل النظام المادي المتأصل في أي كائن. التفاحة الأولى تجسد نظاماً كان موجوداً في العالم قبل ظهور الإنسان فيه. كان التفاح موجودًا قبل أن يكون له اسم أو سعر أو سوق. يختلف جهاز iPhone لأنه شيء كان موجودًا لأول مرة في عقل شخص ما، وبعد ذلك فقط في العالم الحقيقي. هذا جزء متين من النظام ظهر لأول مرة كشيء خيالي. وكما سنرى لاحقًا، فإن الكائنات من هذا النوع فريدة من نوعها.

تتمتع الأنواع البيولوجية القادرة على تخيل الأشياء ومن ثم إنشائها بمزايا مقارنة بالحيوانات الأخرى. إن الأشياء الحقيقية والخيالية الشائعة في اقتصادنا تعمل على تمكيننا لأنها تتيح لنا الوصول إلى المهارات والاستخدامات العملية للمعرفة المتأصلة في الأجهزة العصبية للآخرين. يستخدم معظم الناس معجون الأسنان كل يوم، لكنهم لا يعرفون كيفية إنتاج فلوريد الصوديوم، وهو العنصر النشط في معجون الأسنان. إلا أن نقص هذه المعرفة لا يمنعهم من التمتع بالاستخدامات العملية الناشئة عن الفهم المطلوب لإنتاج فلوريد الصوديوم. يستفيد الناس بشكل عملي من معرفة الآخرين من خلال المنتجات التي هي في الواقع قطع صلبة من الخيال. فالمنتجات تمكّننا، والأسواق لا تجعلنا أكثر ثراءً فحسب، بل تجعلنا أكثر ذكاءً أيضًا.

المشكلة هي أنه من الصعب إنشاء المنتجات. وهذا غالبا ما يتطلب تعاون العديد من الناس. للمساهمة في نمو المعلومات، يجب على الناس إنشاء شبكات فيما بينهم قادرة على حساب المنتجات. نحن بحاجة إلى الشبكات لأن القدرة الحسابية للأنظمة، فضلاً عن قدرتها على تخزين المعلومات، لها حدود. الخلايا البيولوجية عبارة عن أجهزة كمبيوتر محدودة تتجاوز حدودها من خلال تعدد الخلايا. لدى البشر أيضًا قيود، ونحن نتجاوز قدراتنا الحسابية المحدودة من خلال الشبكات الاجتماعية والمهنية. المزارع الاقتصادية هي أجهزة كمبيوتر لامركزية تعمل باستخدام الأجهزة المعروفة لدينا باسم الشبكات الاجتماعية. وفي نهاية المطاف، فإن إعادة تجسيد الحوسبة، ودمج البشر في الاقتصادات الاقتصادية، هو الذي يسمح للأشكال المعقدة من المعلومات بالنمو، ولكنه يجعل الأمر صعبا أيضا.

حدود النمو

آخر ما تعلمنا إياه هذه التجربة الفكرية هو أن قدرة الشبكات البشرية على توليد المعلومات هي قدرة محدودة للغاية. انسَ كل ما سمعته عن البيانات الضخمة: من منظور كوني، فإننا نخلق كمية صغيرة جدًا من المعلومات (حتى لو استخدمنا خلال هذا الإنتاج ما يكفي من الطاقة لإطلاق ثاني أكسيد الكربون الذي يدفئ كوكبنا).

إن قدرتنا على إنشاء المعلومات محدودة جزئيًا لأن قدرتنا على إنشاء شبكات من البشر محدودة بسبب القيود التاريخية أو التنظيمية أو التكنولوجية. فالحواجز اللغوية، على سبيل المثال، تعمل على تفتيت مجتمعنا العالمي وتجعل من الصعب على الأشخاص المولودين في أجزاء بعيدة من العالم التواصل. وقد تساعد القوى التكنولوجية في تقليل هذه العقبات. أدى تطور الرحلات الجوية ووسائل الاتصال للمسافات الطويلة إلى خفض أسعار الاتصالات للمسافات الطويلة. وهذا يسمح لنا بنسج شبكات عالمية للغاية تزيد من قدرتنا على معالجة المعلومات. ومع ذلك، فإن هذه التقنيات ليست حلا سحريا. قد تكون قدرتنا على معالجة المعلومات معًا أكبر مما كانت عليه في العقود السابقة، لكنها لا تزال صغيرة.

كيف إذن سيتطور نمو المعلومات على الأرض في القرون القادمة؟ وبحسب النظرة المتفائلة، فإن قوى العولمة التكنولوجية وسقوط المؤسسات الاجتماعية الضيقة، مثل الوطنية والدين، ستساعد في تآكل الاختلافات التاريخية التي لا تزال تنشر الكراهية بين الناس على اختلاف خلفياتهم اللغوية والعرقية والدينية والقومية. وفي الوقت نفسه، ستجلب التغيرات التكنولوجية عصرًا من الاتصال المفرط. إن الإلكترونيات، التي ستتطور من الأجهزة المحمولة إلى الأجهزة التي يمكن ارتداؤها إلى الأجهزة المزروعة، سوف تسفر عن أشكال جديدة من التفاعلات الاجتماعية عبر الوسائط.

منذ آلاف السنين، كانت قدرة جنسنا البيولوجي على توليد المعلومات مدعومة بقدرتنا على تضمين تلك المعلومات في البيئة، سواء من خلال تجميع الفؤوس الحجرية أو كتابة الشعر الملحمي. لقد زودتنا هذه الموهبة بالترقية والتنسيق اللازمين لزيادة قدرتنا الحسابية. ونحن الآن في خضم ثورة جديدة قد تغير هذه الديناميكية وتزيد من قوتها أكثر. وفي الألفية الحالية، سيتحد الإنسان والآلة من خلال أجهزة ستدمج الحواسيب البيولوجية الموجودة بين آذاننا مع الآلات الرقمية التي انبثقت من عقولنا الفضولية. إن المجتمع شديد الارتباط الذي سينتج عن هذا سوف يعرض جنسنا البشري لبعض من أصعب التحديات الأخلاقية في تاريخ البشرية. قد نفقد بعض جوانب إنسانيتنا التي يعتبرها البعض أساسية: على سبيل المثال، قد ننجو من الموت. لكن هذا الاندماج، بين أجسادنا وآلات معالجة المعلومات المولودة من مخيلتنا، قد يكون الطريقة الوحيدة لزيادة المعلومات بشكل أكبر. لقد ولدنا من المعلومات، والآن تولد منا المعلومات بمعدل متزايد.