Az információ súlya: tényleg nehezebb a pendrive, ha tele van?
Egy furcsa kérdés, ami nagyon messzire vezet
Volt már olyan érzésed, hogy a telefonod „nehezebbnek” tűnik, amikor tele van fotókkal, videókkal, üzenetekkel? Vagy hogy a laptopod súlya mintha nőne, amikor rajta van a diplomamunka, a teljes fotóarchívum és néhány terabájtnyi munkaanyag?
Első reakció: ez nyilván csak pszichológia. A tudat, hogy fontos emlékeket, felelősséget, határidőket cipelsz, „mentális súlyként” nehezedik rád.
De feltehetjük a kérdést sokkal keményebb, fizikai értelemben is. Van-e tényleges, mérhető tömege az információnak? És ha igen:
1
változik-e egy adathordozó tömege, amikor adatot írunk rá vagy törlünk róla,
2
és meddig „könnyíthető” az információ, mielőtt valamilyen fizikai határba ütköznénk?
Ebben a cikkben végigmegyünk az emberiség történetén a kőtábláktól a DNS-alapú adattárolásig, és megnézzük:
- hogyan változott az adat rögzítésének fizikai módja,
- mikor járt az információ tömegcsökkenéssel, mikor tömegnövekedéssel,
- és mit mondanak a modern fizikai elméletek arról, hogy magának a bitnek van-e tömege.
Közben találkozunk kőfaragókkal, sumér írnokokkal, lyukkártya-lyukasztó gépekkel, mágneses doménekkel, csapdába ejtett elektronokkal, sőt, a DNS-sel és olyan elméletekkel, amelyek szerint az univerzum akár egy hatalmas számítógépes számítás is lehet.
Miért beszél egy fizikus egyáltalán az információ tömegéről?
A klasszikus információelmélet (Claude Shannon) az információt alapvetően valószínűségi, matematikai fogalomként kezeli: bitek, kódok, csatornák, hibaarányok. A fizikusok egy ponton azt mondták: jó, de hol van ebben a fizika?
Itt jön a képbe Rolf Landauer, aki az 1960-as években kimondta: Az információ törlése mindig jár minimális energiaveszteséggel (hőtermeléssel).
Ez a híres Landauer-elv. A lényege: ha egy bitet „végleg” törlünk (úgy, hogy a kimenetből már nem tudjuk visszakövetni a bemenetet), akkor a rendszer lead egy kicsi energiát hő formájában a környezetének.
A minimális energia egy bit törléséhez
Emin=kb T In2
kB =Boltzmann-állandó
T = hőmérséklet Kelvinben.
Szobahőmérsékleten mérve ez körülbelül
2,87×10-21 joule
azaz nagyon kicsi mennyiség
de nem nulla.
Ebből a fizikai gondolatmenetből jön az első fontos üzenet:
Az információ nem pusztán absztrakt fogalom. Ha törlöd vagy rendezed, annak fizikai következménye van (energia, hő).
Vopson elmélete: ha energia van, akkor tömeg is van
Itt lép be Melvin Vopson, aki a Landauer-elvet összekapcsolja Einstein híres képletével: E=mc2
Ha:
- a bitek törléséhez energia kell (Landauer), és
- minden energiának „hozzárendelhető” tömege van (Einstein),
akkor Vopson szerint logikus lépés azt mondani: minden bit információhoz tartozik egy elképesztően kicsi, de nem nulla tömeg.
A levezetés eredménye szerint egy bit tömege szobahőmérsékleten mérve: mbit ≈ 3,19 × 10−38 kg
Ez felfoghatatlanul kicsi szám, de nem nulla. Vopson még odáig is elmegy, ha az emberiség információtermelése (évi ~20–50% növekedés) így megy tovább, akkor nagyon hosszú távon az információ „össztömege” elérhet olyan szintet, ahol kozmológiai jelentősége lesz (például belejátszhat abba, amit ma sötét anyagnak nevezünk).
Ez ma hipotézis, nem bizonyított tény, de elég provokatív ahhoz, hogy érdemes legyen végiggondolni.
Infodinamika és „szimulált” univerzum - a radikálisabb gondolat
Vopson az utóbbi években egy még merészebb elméletet is javasolt, az úgynevezett „infodinamika második törvényét”. Ennek nagyon leegyszerűsített lényege:
1
a hagyományos termodinamika szerint a rendezetlenség (entrópia) nő,
2
az információs rendszerekben viszont a „hasznos” információ egy része idővel összesűrűsödik, tömörödik, strukturálódik.
Ezt ő úgy értelmezi, hogy az univerzum egyfajta információ-optimalizáló folyamat lehet. Innen egy lépés az a spekulatív gondolat, hogy
a világegyetem akár felfogható úgy is, mint egy számítás vagy szimulációahol a gravitáció és más jelenségek részben az információ „hatékony elrendezéséből” adódnak.
Fontos: ezek már elméleti spekulációk, nem kísérletileg igazolt tények.
De arra nagyon jól alkalmasak, hogy más szemmel nézzük mit is csinálunk, amikor adathordozóra írunk egy fájlt.
Most viszont lépjünk vissza a történelembe, és nézzük, mi történt anyagi szinten az első „adatrögzítéseknél”.
Tartalomjegyzék
Barlangrajzok: amikor a fal lett az első „adatközlő felület”
Mielőtt kőtáblákról, agyagtáblákról vagy papirusztekercsekről beszélhetnénk, az emberiség már jóval korábban „adatot” rögzített, a barlangok falára. Ha úgy tetszik, ezek voltak az első „write once, read many” típusú adathordozók - csak éppen sziklafal formában.
A barlangrajzok esetében az adathordozó maga a barlang fala, az „adat” pedig az oda felvitt festék- és szénréteg volt. Itt a rögzítés tehát tisztán additív folyamat:
1
a kőzetfal eredeti tömege adott,
2
az ember plusz anyagot visz fel rá (vörös okker, szén, mész stb.),
3
az ábrázolás - a bölény, a kéznyom, a vadászat jelenete - fizikailag egy új réteget jelent a felületen.
Fizikai értelemben ez azt jelenti, hogy:
- egy barlang falának „adatállapota” (rajzokkal) mindig egy kicsit nehezebb, mint az ugyanaz a fal rajzok nélkül.
Persze a barlang teljes tömegéhez képest ez a különbség elenyésző. Egy néhány grammnyi festékréteg elveszik a tonnányi kőzetben. De ha az „információ súlyáról” gondolkodunk, itt először jelenik meg nagyon tisztán az a logika, hogy:
- az üres felület a könnyebb,
- a történettel, szimbólumokkal, „adattal” ellátott felület a nehezebb.
Érdekes az is, hogy a barlangrajzoknál az információ teljesen hozzá van nőve a környezethez. A fal nem hordozható, nem veheted le a polcról, mint egy könyvet, és nem viheted át egy másik szobába. Itt a „szerver” szó szerint be van építve a hegybe. Ha információt akarsz olvasni, neked kell odamenni az adathordozóhoz.
Ez a korszak szépen előkészíti a papirusz-pergamen-papír vonalat, ahol ugyan már hordozható felületeket használunk, de a logika ugyanaz marad: az információ valamilyen plusz anyagban - festékben, tintában - testesül meg.
Kőtáblák és agyag: amikor a tudást szó szerint tonnákban mérték
Kőbe vésve: az információ, ami könnyít a hordozón
A legkorábbi adathordozók:
- kőtáblák, sztélék, sírkövek, sziklafalakra vésett jelképek, feliratok.
A rögzítés módja:
- fogsz egy sima követ vagy sziklafalat,
- vésővel anyagot távolítasz el belőle,
- a kivésett barázdák adják az információt (betűk, jelek, díszítések).
Fizikailag ez azt jelenti: az „üres” kő a legnehezebb, minél több információt vésel bele, annál több kőpor hullik le, a kész, teleírt kőtábla könnyebb, mint az eredeti nyers tömb.
Tehát ennél a technológiánál az információ tömegcsökkenéssel járó hiány a hordozó anyagában. Ez a logika később a lyukkártyáknál is visszatér.
Agyagtáblák: a víz távozik, a tartalom marad
Mezopotámiában az információ fő hordozója az agyagtábla volt. Itt az eljárás kicsit más, a nedves agyagból tábla formát készítenek. Az írnok nádszállal ék alakú benyomatokat készít (ékírás). A táblát szárítják vagy kiégetik.
Fizikailag az anyag benyomása maga inkább anyagátrendezés, nem eltávolítás, de a szárítás és égetés során a víz nagy része eltávozik, a kész, tábla jelentősen könnyebb, mint a nyers, vizes agyag.
Ha belegondolsz az olyan könyvtárakban, mint Assur-bán-apli ninivei gyűjteménye több tízezer táblával, ez sok-sok tonnát nyomott. Az információt itt nem „felhőben” tárolták, hanem nagyon is földhözragadt módon, polcokon, állványokon.
Érdekesség, az agyagtábla újrahasznosítható volt. Ha már nem kellett a rajta lévő információ, összezúzták, beáztatták, újragyúrták, új tábla lett belőle. Ezzel a víz visszakerült a rendszerbe, a tábla „visszahízott”, de az információ eltűnt.
Papirusz, pergamen, papír: a hozzáadás kora
Az ókori Egyiptomtól kezdve a papirusz, majd a pergamen és később a papír, az információ rögzítése anyag hozzáadásával történik. Az írás folyamata fizikailag is nagyon konkrét jelenség. Van egy papirusz-, pergamen- vagy papírlapod, amely önmagában még csak a hordozó. Erre tintával írsz, és a tinta pigmentjei - legyen az korom, vas-só vagy valamilyen festékanyag - ténylegesen ott maradnak a felületén. Az oldószer, például a víz, idővel elpárolog, de a száraz tintaréteg ott marad, és hozzáadódik a lap tömegéhez. Egyszerűen megfogalmazva ez azt jelenti, hogy egy üres lap könnyebb, egy teleírt lap pedig nehezebb, még ha csak nagyon kis, milligrammos nagyságrendű különbségről is beszélünk.
Nagy mennyiségben ez már számít. Egy vastag, sokkötetes könyvtárban a tinta össztömege, dekákban, akár kilókban is mérhető. A középkori, aranyozott díszítésű kódexek esetében az igazán fontos részek szó szerint „súlyosabbak” voltak, az aranyfüst nagyon is nehéz anyag.
Fontos kiegészítés:
- a papír és a pergamen higroszkópos, vagyis felveszi és leadja a nedvességet a levegőből,
- egy könyv tömege sokkal nagyobb mértékben változhat a páratartalom miatt, mint a tinta súlya miatt.
Ettől még igaz marad, a papírkorszakban az információ rögzítése tisztán tömegnövekedéssel járó, additív folyamat.
Mechanikus adattárolók: amikor az információ a fogaskerekek között utazik
Az eddig bemutatott példák nagy részénél az adat rögzítése valamilyen maradandó anyagváltozással járt. Létezik azonban egy olyan világ is, ahol az információt nem a hordozó anyagának megváltoztatásával, hanem bonyolult mechanizmusok pillanatnyi állapotával tároljuk. Itt az adat, nem festékréteg, nem kivésett barázda, hanem fogaskerekek, karok, tengelyek aktuális elfordulási állása.
Gondolj azokra a rendszerekre, ahol:
1
mechanikus számlálók mutatják az értékeket (pl. régi villanyóra, mechanikus kilométer-számláló),
2
bonyolult fogaskerék-rendszerek „emlékeznek” egy művelet eredményére (mechanikus számológépek, pénztárgépek),
3
az információ "állapota" pusztán abból adódik, hol állnak a mozgó alkatrészek.
Ezekben a rendszerekben az adat tárolása:
- nem jár tartós tömegnövekedéssel (nem adunk hozzá plusz anyagot, nincsen tinta, nincsen festék),
- nem jár tartós tömegvesztéssel (nem lyukasztunk, nem vésünk, nem égetünk bele semmit),
- nem alakítjuk át kémiailag vagy mágnesesen az anyagot (a fogaskerék ugyanaz a fogaskerék marad).
Ami történik, az annyi, hogy:
- a rendszer belső állapota megváltozik: a fogak más pozícióban kapcsolódnak egymáshoz,
- a tengelyek más szögben állnak,
- a rugók más mértékben vannak megfeszítve.
Ez az adat rögzítési mód nagyon közel áll ahhoz, ahogyan a mindennapi életben gondolkodunk az „állapotról”. Egy ajtó lehet nyitva, vagy zárva, az állapota egy információt tárol, de ettől nem változik meg az ajtó tömege. Egy analóg óra mutatói más szögben állnak reggel, mint délben, de az óra ugyanannyit nyom.
A mechanikus adattárolók világában az információ tehát:
1
állapotként jelenik meg,
2
amelyet bonyolult mozgások, áttételek, rugók és karok hoznak létre,
3
de maga a hordozó anyag nem változik meg tartósan - csak mozog.
Fizikai szempontból ez a kategória azért izgalmas, mert itt az információ:
1
nem ad hozzá és nem von el mérhető mennyiségű anyagot,
2
nem épít be és nem rombol le maradandóan struktúrát,
3
hanem az adott tömegű és szerkezetű gépen belül csak újrarendezi az alkatrészeket.
Az információ nem többletanyag, hanem többlet-rendezettség a már meglévő alkatrészek között.
Lyukkártyák: az adat mint hiány - a „konfetti-paradoxon”
A 19-20. század fordulóján megjelent a lyukkártya, előbb szövőszékek vezérlésére, majd Herman Hollerith révén a népszámlálás gépesítésére, később általános adatfeldolgozásra. Az adathordozó, keménypapír lap. Az információ, lyukak jelenléte vagy hiánya meghatározott pozíciókban.
1
Az írás folyamata, egy lyukasztógép fizikailag kivág egy kis papírkorongot,
2
a kivágott darab, a „konfetti” a gép mellett halomban gyűlik,
3
a kártya minden lyukkal könnyebb lesz.
4
minél több adatot „írsz bele”, annál több anyagot vágsz ki belőle, adatbázisod végső soron tömegcsökkenést okoz a hordozón.
Egyetlen kártya kb. 80 karaktert tudott tárolni. Ha elképzelsz egy mai, pár megabájtos képet, egy ~3 MB-os képhez több tízezer kártya kellene. A hozzá tartozó papír- és konfettimennyiség már száz kiló körüli nagyságrend. Itt az információ fizikailag tényleg „hiányként” van jelen.
Mágneses korszak: szalagok, floppyk, merevlemezek
A mágneses adattárolás (szalagok, floppy lemezek, merevlemezek) új korszakot hozott, itt már nem vésünk, nem festünk, nem lyukasztunk, hanem az anyag belső mágneses állapotát rendezzük át.
Mi történik a mágneses rétegben?
- A hordozó felületén (szalagon, lemezen) egy vékony ferromágneses réteg van (például vas-oxid vagy kobalt-ötvözet). Ebben apró mágneses tartományok, úgynevezett domének vannak,
- ezeknek az iránya (pólusai) alapállapotban nagyjából véletlenszerű,
- az írófej helyi mágneses térrel ezeket rendezett mintázatba állítja.
Az információ itt nem anyaghozzáadás vagy anyagkivonás, hanem a mágneses állapot, a domének irányának elrendezése.
Nehezebb lesz-e a teleírt merevlemez? Két szinten lehet válaszolni:
Klasszikus fizika szerint
a lemezre nem kerül új anyag,
semmit nem távolítunk el,
csak az atomi mágneses momentumok irányát rendezgetjük szükség szerint, a tömeg tehát gyakorlatilag változatlan.
Relativisztikus nézőpontból
a különböző mágneses állapotok kicsit eltérő energiájúak,
az energia és tömeg ekvivalenciája miatt elvileg van egy extrém kicsi tömegváltozás,
ennek nagysága egy modern merevlemeznél a gramm tíz-trilliómod része alatt van
Ez olyan kicsi, hogy mérhetetlen, és a mindennapi életben semmilyen következménye nincs. A lényeg, mágneses tárolásnál a tömegváltozás inkább elméleti finomság, mint gyakorlati tényező.
Optikai lemezek: lézerrel „írt” fénykorongok
Az optikai tárolás (CD, DVD, Blu-ray) esetében az információt lézerrel rögzítjük, de itt is többféle technika létezik.
„Gyári” lemez esetén az adat a lemez születésekor kerül bele. A nyomott (CD-ROM, DVD-ROM) lemezek fröccsöntéssel készülnek, a „gödrök” (pit) és sík részek (land) már a gyártáskor kialakulnak. A lézersugár a gödrök és a sík felületek váltakozását"olvassa" ez a rendszer tartalmazza az információt. Itt nincs üres állapot, amihez viszonyítani lehetne, a lemez az adattal együtt születik.
Az írható lemezek (CD-R, DVD-R) tartalmaznak egy festékréteget, íráskor a lézer helyileg felhevíti ezt a réteget, a festék kémiai szerkezete megváltozik, így másképp veri vissza a fényt. (olvasáskor a lézersugarat).
Fizikailag:
- az anyag nem távozik, csak az állapota változik,
- keletkezhetnek gázok mikroszkopikus mennyiségben, amelyek lassan kiszökhetnek,
- hosszú távon emiatt lehet némi tömegvesztés, de ez a lemez öregedéséhez, nem közvetlenül az adatíráshoz köthető.
Egy CD vagy DVD megírása nem jár érzékelhető tömegváltozással. Ha van is különbség, az tényleg elképesztően kicsi.
5D optikai tárolás: „Superman-kristály” és gyakorlatilag örök élet
A adatrögzítés jelenlegi csúcsa az úgynevezett 5D optikai tárolás olvasztott kvarcüvegben. Femtoszekundumos lézerrel apró nanorácsokat írnak az üveg belsejébe:
1
az adatot a rácsok térbeli helyzete, mérete és orientációja kódolja (ezért „5D”: 3 térkoordináta + 2 szerkezeti paraméter),
2
nincs anyaghozzáadás vagy eltávolítás, csak a belső szerkezet rendeződik át.
3
Egy tenyérnyi üveglemez akár 360 terabájt adatot is tud tárolni,
4
és elméletileg milliárd éves időskálán is stabil maradhat.
Itt tehát az információ rögzítése nem változtatja meg a tömeget, csak a belső szerkezetet és az „információs rendet”.
Flash memória, SSD és az internet: amikor az elektronok tényleg számítanak
A félvezető alapú tárolók (SSD, pendrive, SD kártya) teljesen más elvet követnek, az információ elektromos töltés formájában, csapdába ejtett elektronokként jelenik meg. A lebegő kapu egy apró elektroncsapda a tranzisztorban.
A NAND Flash memória cellái úgynevezett lebegő kapus tranzisztorok,
a vezérlőkapu és a csatorna között van egy szigetelt „sziget”, a lebegő kapu:
- nagy feszültséggel elektronokat „betolunk” ebbe a szigetelt részbe,
- mivel körülötte szigetelő van, a töltés ott marad - áram nélkül is.
Logikai szinten:
- sok technológiánál a törölt állapot (nincs töltés) = logikai 1,
- a programozott állapot (van töltés) = logikai 0.
Tehát amikor adatot írunk, valójában elektronokat adunk hozzá a rendszerhez.
Számoljuk ki - tényleg nehezebb a teleírt SSD?
- Az elektron tömege:
me ≈ 9,11 × 10-31 kgVegyünk egy 1 terabájtos SSD-t:
1 TB ≈ 8 × 1012 bit - tegyük fel, hogy a bitek fele „0” (töltött), fele „1” (üres), minden 0-hoz nagyságrendileg száz elektron tartozik (ez persze technológiától függ, de most ezzel számolunk).
- töltött bitek száma ≈ 4 × 1012
- összes extra elektron ≈ 4 × 1012 × 100 = 4 × 1014
- ennek tömege ≈ 3,6 × 10-16 kg.
Ez nagyjából 0,36 femtogramm.
Összehasonlításképpen: egy átlagos vírus is sok nagyságrenddel nehezebb ennél.
De a lényeg, elméletileg igaz, hogy egy teleírt SSD nehezebb, mint egy teljesen törölt. A különbség hihetetlenül kicsi, de fizikailag valós.
Mennyi az internet „súlya”?
A kutatásokból egy híres becslés szerint: ha megnézzük az összes elektron tömegét, amely egy adott pillanatban aktívan részt vesz az internetes adatforgalomban (kábelekben, eszközökben mozog),
1
akkor ez az össztömeg kb. néhány tíz gramm nagyságrendű,
2
a becslés egy ismert értéke ~50 gramm, vagyis egy nagyobb eper tömege.
A háttér-infrastruktúra (kábelek, szerverek, hűtés, épületek) persze százmillió tonnákban mérhető. De maga az a plusz anyagmennyiség, amely effektíve hordozza a biteket, meglepően kicsi.
DNS: amikor az anyag maga az adat
A természet régóta használ egy fantasztikus adattárolót, a DNS-t. Gondolj csak bele, minden sejtmagodban ott van a saját „adatbázisod” kódja.
A DNS-nél az információ hordozója maga a molekula szerkezete (A, C, G, T bázisok sorrendje). A kutatások alapján:
1
a DNS elméleti tárolási sűrűsége elérheti akár a 455 exabájt/gramm nagyságrendet,
2
más becslés szerint kb. 215 petabájt/gramm körüli értékről is beszélhetünk.
A számok között nagy a különbség, de ugyanabba az irányba mutatnak. A DNS olyan adat-sűrűséget tesz lehetővé, amely nagyságrendekkel meghaladja bármely mai technológiáét. Egy gramm DNS-ben - becsléstől függően - szinte felfoghatatlan mennyiségű adat fér el. Az emberiség teljes, ma tárolt digitális adatmennyiségét elvileg néhány kicsi mintában el lehetne helyezni. Itt már nem arról van szó, hogy adatot „írunk” egy hordozóra.
Itt az adat és a hordozó ugyanaz. A DNS mennyisége arányos a tárolt információval.
Atomi memória: egy bit egyetlen atomon
A kutatás másik végpontja az atomi szintű tárolás. Egyetlen atom (például holmium) mágneses állapotát használják egy bit tárolására, így elméletileg elérhető, hogy egy atom = egy bit.
Itt már a tömegváltozás kérdése végképp a kvantumfizika szintjére kerül:
1
a tömeg és energia kapcsolata,
2
a kvantumállapotok közti energia-különbségek mind belejátszanak.
A gyakorlati konklúzió viszont ugyanaz. Fizikai szinten az információ elválaszthatatlan az anyagtól és az energiától.
TÁBLÁZAT HELYE
Mit jelent neked ez a hétköznapok szintjén? Nem tudom, de arra kiválóan alkalmas, hogy más szemmel nézd a „Mentés” és „Törlés” gombokat.
Szólj hozzá! Elgondolkodtál azon, hogy amikor adatot mentesz vagy törölsz, az nemcsak digitális művelet, hanem elméletben fizikai következménye is van? Írd meg, szerinted hol válik az információ valódi „súllyá”, és hol marad puszta absztrakció. Ha az információ nem teljesen súlytalan, szerinted felelősséggel tartozunk azért, mennyi adatot halmozunk fel és őrzünk meg? Oszd meg, te hogyan gondolkodsz az adatgyűjtés és az „információs lábnyom” kérdéséről.
0 hozzászólás