Ziemia jako dysk twardy
W 2002 roku Seth Lloyd, profesor informatyki kwantowej z Massachusetts Institute of Technology, opublikował wzór, który pozwala oszacować liczbę bitów mieszczących się we Wszechświecie. „Bit” to elementarna jednostka informacji, utożsamiana z odpowiedzią na proste pytanie wymagające potwierdzenia lub zaprzeczenia. W komputerze bity są zapamiętywane dzięki tranzystorom, ale równie dobrze można je zakodować, używając do tego stanu fizycznego cząstki, na przykład spinu elektronu. Wzór Lloyda, który wykorzystuje reprezentację fizyczną informacji, pozwala oszacować szybkość ich przetwarzania oraz zapamiętywania w przyrodzie, wyrażając odpowiednie wartości w zależności od stałej Plancka, prędkości światła i wieku Wszechświata. Lloyd doszedł do wniosku, że cały Wszechświat może pomieścić 1090 bitów, czyli bilion bilionów bilionów bilionów bilionów bilionów bilionów megabitów.
Lloyd zainteresował się tym problemem, ponieważ zajmując się komputerami kwantowymi, które zapamiętują i przetwarzają dane zakodowane za pomocą pojedynczych atomów, zaczął patrzeć na Wszechświat właśnie przez pryzmat bitów ukrytych w cząstkach materii. Przeprowadził eksperyment myślowy, w którym postawił pytanie: jaki jest rozmiar największego możliwego do zbudowania komputera? Odpowiedź: taki, w którym wykorzystano by wszystkie atomy we Wszechświecie. Komputer mógłby więc zapamiętać 1090 bitów.
Jednak piękno wzoru Lloyda polega na tym, że można go wykorzystać do oszacowania zdolności dowolnego układu do zapamiętywania informacji. Niedawno zainspirował mnie on do poszukiwania odpowiedzi na pytania związane z moimi badaniami nad gospodarką i społeczeństwem. Wzór Lloyda nie uwzględnia całej złożoności społeczno-ekonomicznej gospodarki, ale pozwala dokonać zgrubnego oszacowania zdolności układu do przetwarzania i zapamiętywania informacji. Wyobraźmy sobie, że Ziemia to po prostu dysk twardy. Zgodnie ze wzorem Lloyda nasza planeta może pomieścić około 1056 bitów, czyli z grubsza bilion bilionów bilionów bilionów gigabitów. Czy jednak ten „planetarny” dysk jest w zasadniczej części pusty czy pełny? Szukając odpowiedzi, sięgnijmy najpierw do pracy Martina Hilberta i Priscilli López, którzy w 2011 roku, pracując odpowiednio z University of Southern California i Universitat Oberta de Catalunya, opublikowali oszacowanie objętości wszystkich utworów działalności kulturowej utrwalonych w postaci tekstów, obrazów i filmów. Doszli do wniosku, że dorobek ludzkości do roku 2007 to około 2×1021 bitów, czyli dwa biliony gigabitów. Jednak nasza planeta zawiera o wiele więcej informacji niż tylko te kulturowe artefakty. Bity kryją się również we wszystkich zaprojektowanych przez człowieka przedmiotach, chociażby w naszych samochodach czy butach, a także w organizmach biologicznych: rybosomach, mitochondriach i DNA. W rzeczywistości, jak się wydaje, zasadniczą część informacji zakodowanych na Ziemi zawiera właśnie biomasa. Korzystając ze wzoru Lloyda, szacuję, że Ziemia zawiera około 1044 bitów. Liczba ta może wydawać się niezmiernie duża, ale to nadal tylko skromny ułamek pojemności całego globu. Jeżeli ludzkość generowałaby dane z szybkością 1021 bitów na rok, potrzeba by przeszło biliona wieków, aby nasz ziemski dysk twardy uległ zapełnieniu.
Obliczenia mówią nam, że chociaż Ziemia może pomieścić olbrzymią ilość informacji, to uporządkowanie jest zjawiskiem rzadkim. Na tej podstawie można formułować dalsze wnioski na temat tworzenia i przetwarzania informacji przez naszą planetę oraz o przeszkodach ograniczających tempo tych procesów.
Nasz obliczeniowy wszechświat
Ubóstwo informacyjne planety nie pozostawia wątpliwości, że generowanie informacji wymaga wysiłku, ich utrwalanie jest trudne, a przetwarzanie bardzo skomplikowane. Te spostrzeżenia potwierdzają wcześniejsze obserwacje i są tłumaczone naturalnym oporem, jaki porządkowanie napotyka we Wszechświecie. Druga zasada termodynamiki mówi, że materia ma naturalną tendencję do ujednorodniania się i eliminowania wszelkiego porządku. Ciepło przepływa od ciała gorącego do chłodnego, rozchodzące się w powietrzu dźwięki muzyki zanikają, a warstwy w szklance latte szybko rozmywają w mleczne obłoki. Tę skłonność do przechodzenia od porządku do nieporządku nazywamy wzrostem entropii.
Istnieją jednak pewne furtki, które pozwalają na lokalne uporządkowanie. Weźmy za przykład żywą komórkę, nasz organizm czy gospodarkę. Te wysoko zorganizowane systemy zdają się, przynajmniej lokalnie, przeczyć temu, że światem kieruje wzrost entropii. Układy o dużym nasyceniu informacjami mogą istnieć tylko pod warunkiem, że gdzieś na swoim styku z otoczeniem zdołają „wypocić” entropię, płacąc za swoje wysokie zorganizowanie oddaniem ciepła. Jak trafnie zauważył kiedyś Ilya Prigogine, chemik i laureat Nagrody Nobla, „entropia to cena struktury”.
Porządek w naszym świecie może pojawiać się i trwać dzięki trzem trikom. Pierwszy i chyba najlepiej znany wykorzystuje przepływ energii. Wyobraźmy sobie wannę pełną wody: cząsteczki w jej wnętrzu zderzają się ze sobą i poruszają w przypadkowych kierunkach, aż do chwili, kiedy wyciągniemy korek. Kiedy tylko woda zacznie podążać w kierunku odpływu, zwiększając swoją energię kinetyczną, pojawi się wir. Ten wir jest manifestacją porządku: sąsiednie cząsteczki wody w jego obszarze mają podobne wartości i kierunki prędkości. Obserwowane korelacje to prymitywne zalążki makroskopowej informacji. Aby zrozumieć nie tylko powstawanie, ale także utrwalanie informacji, potrzebujemy drugiego triku: istnienia ciał stałych. To właśnie dzięki ciałom stałym, na przykład DNA, jest możliwe zachowanie porządku przez długi czas. Bez nich informacje byłyby zbyt nietrwałe, aby istnieć, łączyć się i pomnażać.
Aby jednak wytłumaczyć powstawanie bardziej złożonych form uporządkowania (na przykład zbioru informacji ucieleśnianego przez miasto lub gospodarkę) albo powstania życia społeczeństw na naszej planecie, musimy odwołać się do trzeciego triku: zdolności materii do prowadzenia obliczeń. Zwykłe drzewo jest przykładem komputera, który potrafi określić, w jakim kierunku maja rosnąć jego korzenie i jego liście. Drzewa wiedza, kiedy włączać i wyłączać różne geny, walczyć z pasożytami, wypuścić lub zrzucić liście i jak wykorzystać fotosyntezę, aby asymilować węgiel z powietrza. Jako komputer drzewo zaprowadza porządek w makrostrukturze swojej korony i mikrostrukturze komórek. Najczęściej nie postrzegamy drzew jako komputerów, ale faktem jest, że będąc nimi, znacząco przyczyniają się do wzrostu objętości informacji na Ziemi.
Utrwalona wyobraźnia
Jeszcze bardziej zaskakuje kolejny wniosek wynikający z porównania Ziemi do twardego dysku: wbrew koalicji sił przeciwstawiających się porządkowi, objętość informacji stopniowo wzrasta. Nasza planeta zawiera dziś więcej informacji niż jeszcze wczoraj czy miliard lat temu. W znacznym stopniu zawdzięczamy to rozwojowi życia: ilość informacji zawarta w biomasie jest olbrzymia. Ale wzrost porządku na Ziemi jest także skutkiem procesów kulturowych.
Łatwiej zrozumiemy, o co chodzi, porównując jabłka na drzewach oraz produkty oznaczone logo nadgryzionego jabłka. Owoc jabłoni ucieleśnia porządek istniejący na świecie przed pojawieniem się na nim ludzi. Jabłka rosły na drzewach, zanim nadaliśmy im nazwę, ustaliliśmy ich cenę oraz zorganizowaliśmy ich sprzedaż. Z drugim rodzajem „jabłuszek” jest inaczej: są to utrwalone w postaci ciała stałego układy, które wcześniej zaistniały w ludzkiej wyobraźni. Przekonamy się, że obiekty tego typu są czymś wyjątkowym.
Gatunek, który może najpierw wyobrazić sobie jakiś przedmiot, a następnie sprawić, że zaistnieje on w rzeczywistości, ma olbrzymią przewagę nad zwierzętami. Byty realne, chociaż i wyobrażone, tak powszechne dla naszej gospodarki, są dla nas cenne, ponieważ służą udostępnianiu wiedzy i umiejętności ukrytych w umysłach innych ludzi. Weźmy, na przykład, pastę do zębów. Większość z nas używa jej codziennie, nie wiedząc, jak otrzymać fluorek sodu, czyli jej składnik aktywny. Jednak ta niewiedza nie pozbawia nas korzyści, jaka jest praktyczne spożytkowanie umiejętności otrzymywania fluorku sodu. Ludzie potrafią praktycznie wykorzystać wiedze innych, sięgając po produkty, które są właśnie utrwalonymi w postaci ciał stałych cząstkami wyobraźni. Produkty wzbogacają nas, a rynki sprawiają, że stajemy się także mądrzejsi.
Tworzenie produktów nie jest wcale proste. Najczęściej wymaga współpracy wielu osób. Aby przyczyniać się do przyrostu informacji, ludzie musza tworzyć sieci umożliwiające obliczanie produktów. Potrzebujemy sieci, ponieważ możliwości obliczeniowe i możliwości zapamiętywania pojedynczych systemów są ograniczone. Komórki biologiczne to komputery o skończonych możliwościach, które są w stanie pokonać swoje ograniczenia, dzięki tworzeniu organizmów wielokomórkowych. Również możliwości człowieka są skończone.
Aby wyjść poza nasze ograniczenia dotyczące obliczeń, tworzymy sieci społeczne lub zawodowe. Systemy gospodarcze to rozproszone komputery napędzane przez mechanizmy nazywane sieciami społecznymi. W ostatecznym rozrachunku to przeniesienie ośrodka obliczeniowego z poziomu komórek na ludzi i dalej na gospodarkę sprawia, że wzrost złożonych systemów informacyjnych staje się możliwy, ale zarazem jest obarczony wieloma wyzwaniami.
Granice wzrostu
Ostatni wniosek, jaki wynika z naszego eksperymentu myślowego, to stwierdzenie faktu, że zdolność ludzkich sieci do tworzenia informacji jest poważnie ograniczona. Pomińmy wszystkie wypowiedzi o dużych danych: z perspektywy kosmicznej ilość tworzonych przez nas informacji jest zaskakująco mała (i to pomimo olbrzymiej energii, która włożyliśmy w uwolnienie węgla ogrzewającego teraz nasza planetę).
Nasza zdolność do tworzenia informacji jest po części upośledzona, ponieważ czynniki historyczne, instytucjonalne i technologiczne utrudniają powstawanie sieci. Na przykład bariery językowe dzielą nasza globalna społeczność i zmniejszają zdolność do nawiązywania kontaktów między ludźmi urodzonymi w różnych zakątkach globu. Technika może pomóc w redukowaniu tych barier. Podróże lotnicze oraz środki łączności o zasięgu globalnym zmniejszają koszty dalekich kontaktów, pozwalając tkać prawdziwie ogólnoświatową siec, która zwiększa nasze możliwości w zakresie powszechnego przetwarzania informacji. Mimo to technika nie jest panaceum i nasza umiejętność kolektywnego przetwarzania informacji, chociaż większa niż w minionych czasach, nadal pozostaje skromna.
Jak wiec w nadchodzących wiekach będzie ewoluować szybkość przyrostu informacji na Ziemi? Według optymistycznych prognoz globalizujące oddziaływanie techniki oraz zanik zjawisk takich, jak patriotyzm i religia, doprowadza do zatarcia różnic, które są źródłem podziałów między ludźmi o różnym pochodzeniu językowym, etnicznym, religijnym i narodowym. Równocześnie przemiany techniczne zainicjują erę hiperkonektywną. Dzięki ewolucji urządzeń elektronicznych od przenośnych przez noszone jako elementy ubrania do implantowanych, pojawia się nowe formy interakcji społecznych.
Przez całe tysiąclecia zdolność „naszego gatunku” do tworzenia informacji była oparta na umiejętności gromadzenia informacji w naszym otoczeniu czy to przez wykonywanie toporków kamiennych, czy pisanie poematów. Dzięki temu talentowi zyskaliśmy środki i wyznaczyliśmy kierunek działań prowadzących do powiększania zdolności obliczeniowych. Jesteśmy teraz gdzieś w trakcie rewolucji, która może zmienić dynamikę tych procesów i sprawić, że nabiorą one jeszcze większego tempa. W obecnym tysiącleciu człowiek i maszyna staną się jedną całością dzięki technikom, które sprzęgną komputery biologiczne w naszych głowach oraz cyfrowe urządzenia, które zrodziły się z ciekawości naszych umysłów. Powstałe w ten sposób hiperkonektywne społeczeństwo stanie wobec największych do tej pory wyzwań natury etycznej. Możemy utracić pewne aspekty człowieczeństwa, które niektórzy uważają za fundamentalne. Ale takie połączenie pomiędzy naszymi ciałami oraz wymyślonymi przez nasze mózgi maszynami przetwarzającymi informacje może być jedynym sposobem przyspieszenia pomnażania informacji. Narodziliśmy się z informacji, a teraz w coraz większym stopniu informacja rodzi się z nas.
Artykuł ukazał się w „Świecie Nauki” 9/2015