¿Los dispositivos de almacenamiento aumentan en masa a medida que escribes información sobre ellos? ¿Cuáles son las conexiones entre información y energía? Si almacenar información en un dispositivo aumenta su contenido de energía, entonces, según Einstein, su masa debería aumentar.

TL; Dr:
La información de cualquier tipo, como correos electrónicos, documentos, videoclips, páginas web, todo, se almacena como secuencias de dígitos binarios, 1s y 0s. Estos dígitos son entidades matemáticas, pero también son tangibles: están incorporados y manipulados de varias maneras en dispositivos de almacenamiento. Por lo tanto, cada bit de datos debe tener cierta masa, aunque tan minúscula que incluso nuestras medidas de pesaje más sensibles no podrían detectar el cambio.

Ni siquiera puede verificar experimentalmente el cambio de peso a una escala tan pequeña, por lo que cualquier respuesta será hipotética y probablemente esté sumida en toneladas de complejidad que no se pueden verificar.

Memoria flash:
Dentro de la memoria flash de una computadora típica, lo que recuerda si un bit dado debe ser un 1 o un 0 es un transistor. Este es un componente en un chip (típicamente) que es capaz de contener una pequeña cantidad de carga eléctrica.


Cargue el transistor de almacenamiento de una celda y representa un 0. Sin carga, representa un 1.

Los transistores de la memoria son tan pequeños que cada uno requiere solo unos 40,000 electrones para cargarse.

Masa de un correo electrónico:
Ahora veamos un correo electrónico típico, como un texto y un archivo adjunto de Microsoft Word, como cuando enviamos versiones preliminares de este artículo a casa para reflexionar sobre el problema de la noche a la mañana. Tal correo electrónico contiene aproximadamente 50 kilobytes. Como hay 8 bits en un byte y 1.024 bytes en un kilobyte, ese correo electrónico está compuesto por 409.600 bits. No todos esos bits serán 1s, ¡sería un mensaje de correo electrónico bastante aburrido! En promedio, aproximadamente la mitad de los bits serán 1s y medio 0s, por lo que son 204,800, 0’s que deben almacenarse, lo que requiere un total de aproximadamente 8.1 mil millones de electrones.

Un electrón pesa 9.10938291e-31 kg en reposo. Ignorando los efectos relativistas, un correo electrónico de 50 kilobytes pesará alrededor de 7.2875063e-18 g (es decir, un orden de attograma de 1 quintillonésima parte de un gramo), o aproximadamente el peso de 21,000 átomos de plomo.

Puede parecer mucho, pero en realidad es una cantidad pequeña: ¡un gramo de plomo contiene alrededor de 3 millones de billones de átomos!

¡Los medios utilizados y el estado inicial son importantes!
Un punto que algunas personas pueden pasar por alto es que un bloque cero en realidad no se almacena como ceros en la memoria, se almacena como una bandera que indica que el bloque es cero. Entonces, de hecho, una unidad flash pesará lo mismo de cualquier manera. Si tiene la tentación de argumentar que una unidad recién fabricada tendría ceros en la memoria, los fabricantes típicos fabrican sus chips con ciclos de escritura y lectura, por lo que ese no sería el caso. Por disco vacío, debemos considerar un borrado seguro donde todos los bits han sido drenados de electrones (es decir, todos los 1) en la memoria flash.


Si realizamos el borrado en su lugar escribiendo unos y luego llenando, su masa se reducirá a medida que almacene información en él 😉. Es casi como almacenar información en tarjetas perforadas.

De manera similar, en los CD-ROM, la información se copia en fosas y terrenos utilizando una máquina de prensado de CD, por lo que su peso disminuye nuevamente a medida que almacena la información.

En los CD-R, las superficies están recubiertas con una sustancia cuyas propiedades pueden verse alteradas por el calor o la luz. Nada de la sustancia se pierde o se gana. Sus propiedades simplemente cambian a través de la aplicación de energía, en este caso sus láseres que queman puntos en el troquel que absorben la luz, por lo que uno esperaría que no hubiera cambios en la masa.

El medio de almacenamiento importa así.

Si considera un disco duro magnético, el cálculo cambia, los imanes tienen diferentes cantidades de energía dependiendo de si están alineados o no. Teóricamente, podrías estimar la distancia de separación y calcular la energía dipolar (entonces podrías usar la equivalencia masa-energía). Haciendo el cálculo así: ¿Cuánto pesan los datos? te da 1e-14 g para una unidad completa de 1 TB. No publiqué detalles, ya que probablemente está desactivado por muchos órdenes de magnitud. ¡A estas escalas, incluso la masa perdida debido al desgaste de los componentes mecánicos en cada ciclo puede ser significativa!

Diferencia de masa en una unidad flash recién acuñada:
Ahora tomemos una unidad flash típica de 4 Gb sin electrones en la puerta flotante (todos los 1). Extrapolando del ejemplo de correo electrónico, el cambio en la masa cuando lo llena con información de un estado recién acuñado sería de 5.8300051e-13 g (orden de 1 diez billonésima parte de un gramo). Eso está cerca de la masa de una sola célula seca de alga verde.

Arriba: células de algas verdes en el suelo.

Diferencia de masa en una unidad flash usada / borrada normalmente
En un disco flash usado, el número total de electrones no cambia a medida que cambian los datos almacenados. Para actualizar, una celda de memoria flash es básicamente un transistor con una “trampa” de electrones, llamada puerta flotante, conectada. Cuando el transistor se enciende, algunos de los electrones en la corriente se canalizarán a través de una delgada capa aislante hacia la puerta flotante. La presencia de estos electrones representa un bit establecido en 0, mientras que su ausencia representa un bit establecido en 1.

Sin embargo, los electrones atrapados (almacenados) tienen una energía más alta que los no atrapados. Una estimación conservadora de la diferencia sería de 10e-15 julios por bit. Suponiendo que todos estos bits en una unidad flash vacía de cuatro gigabytes están en un estado de energía más baja y que la mitad tiene una energía más alta en una unidad flash completa, esto se traduce en una diferencia de energía de 1.7 veces e – 5 julios. Usando la equivalencia de energía de masa obtienes una estimación aproximada de 1e – 18 gramos (un Attograma). Tenga en cuenta que esta estimación más realista es aproximadamente del mismo orden que la masa de electrones necesaria para almacenar un correo electrónico de 50 kb.
Los New York Times

Masa de internet:
Teóricamente, podría calcular el “tamaño de Internet”, pero no hay ninguna estimación moderna confiable disponible. Cisco predijo que el tráfico de Internet cruzaría 1 zettabyte / mes para fines de 2015.

¿Qué es un zettabyte? Para 2015, Internet lo sabrá, dice Cisco

Algunas estimaciones sitúan el tamaño actual de Internet en 1 Yottabyte, es decir, 1000 Zettabytes o 36 millones de años de video de calidad HD.
Eso es casi 23 veces más que todas las palabras pronunciadas por seres humanos (alrededor de 43 zetabytes). es decir. Si suponemos 16 KHz de audio de un solo canal lineal de 16 bits, a 32 KB por segundo.
Lingüística Zettascale

Extrapolando de cálculos anteriores obtenemos alrededor de 145 g.
Es decir. ¡La masa total de electrones requerida para codificar todo Internet en flash sería aproximadamente el peso de este iPhone!

Vsauce respondió una pregunta similar en este video hace unos años (¡Internet ha crecido desde entonces!):

¡Por qué no importa!
La razón por la que no podemos tomar dos unidades diferentes y medir los cambios en su masa a medida que agregamos información es que cuando discutimos sobre la medición de diferencias de masa en magnitudes muy pequeñas, cosas como las fuerzas de elevación causadas por la convección del calor (debido a la temperatura elevada después del registro / borrado), pérdida de humedad durante la grabación. Los experimentos tendrían que realizarse al vacío, condiciones extremadamente estériles y cuidadosamente controladas. Si probablemente solo deja uno a la luz del sol, absorberá energía y, por lo tanto, aumentará de peso (equivalencia masa-energía). Del mismo modo, si lo enfría, la falta de energía térmica podría compensar este aumento. ¡Esa es la escala de masas de la que estamos hablando!

Estas cantidades son efectivamente inconmensurables ya que incluso las escalas más sensibles que poseemos actualmente tienen una resolución de solo
10e – 9 gramos.

Fuentes:
¿Cuánto pesa Internet?
Pesando la web

“Sí. Es una pregunta seria. Quiero saber si hay una conexión entre la masa y la información”.

En realidad, esta es una pregunta muy seria y profunda. De ninguna manera soy la persona más calificada para responderlo, pero lo intentaré. Obtendría respuestas más serias si lo declara así en primer lugar.

Lo primero a discutir es: “¿Qué significa la información?”. La información podría definirse libremente como la “cantidad de sorpresa” que experimentamos cuando medimos el sistema. Sorpresa significa lo fácil que es para nosotros predecir cómo serán nuestras mediciones. Por ejemplo, si comenzamos a leer un disco duro y contiene “00000000”, podemos suponer fácilmente que el siguiente dígito será un cero, por lo que si lo medimos y en realidad es 0, aprenderemos algo nuevo. Si, en cambio, los primeros bytes se ven como “10011010”, estamos bastante perdidos si tratamos de predecir cuál será el próximo byte. Si tengo un disco duro lleno de ceros, puedo decirte: “8 GB de ceros” y puedes reconstruirlo en casa, así que de alguna manera has descargado un archivo de 8 GB en este momento, pero este archivo no contiene 8 GB de información. Cabe señalar que esta definición no nos dice cuán “significativa” es esta información. Ser “significativo” para un ser humano no es algo que tenga un efecto físico. Físicamente, “pwex” y “ratones” contienen la misma información. La información es una medida de la “aleatoriedad” de un sistema. Si un sistema está muy ordenado, podemos predecirlo solo observando una parte. Si el sistema es aleatorio, debemos medirlo todo para saber qué contiene. En física, la información de un sistema corresponde a su entropía.

Ahora volvamos a la conexión entre información y masa. Supongo que te refieres a información y energía, y usas la masa como un proxy de energía. Esta bien. La relación entre información y energía es conocida, hay una variable física que nos dice cuánta energía necesitamos agregar o eliminar del sistema para cambiar su entropía. Esta variable es la temperatura. A temperaturas positivas, el aumento de la entropía aumenta la energía y, por lo tanto, la energía en su disco duro (si la temperatura es positiva) aumentaría a medida que le escribiera información. Hay una nota al respecto: si su disco duro no está configurado con ceros o con todos, pero contiene una mezcla aleatoria, entonces escribir en él puede disminuir su entropía, porque los archivos que escribe pueden contener menos información ( algunos bytes pueden aparecer más que otros, etc.

Puede haber notado que dije “si la temperatura es positiva”, y por temperatura positiva quise decir por encima de 0K (cero absoluto). Esto puede sonar extraño porque a las personas se les dice que no existen temperaturas por debajo del cero absoluto, lo cual es falso. Sin embargo, las temperaturas por debajo del cero absoluto no significan que las partículas en su sistema tengan menos de cero energía. Lo que significa es que agregar energía “ordena” el sistema en lugar de desordenarlo. En el caso del disco duro, esto depende del acoplamiento entre cada uno de los dominios magnéticos que componen el disco. Si a los dominios “les gusta” estar en la misma dirección (esto se llama acoplamiento ferromagnético), la energía de su sistema disminuirá a medida que agregue información, lo que los hará más aleatorios y menos propensos a sentarse uno al lado del otro. La misma dirección. Si el acoplamiento entre los dominios en el disco duro es antiferromagnético, sucede lo contrario. No sé cuál es el caso de los dominios magnéticos en un disco duro, tal vez un científico de materiales pueda decirlo.

Un último pensamiento incómodo: si el disco duro no está a temperatura ambiente, ¿por qué no se “quema” si lo toca? La respuesta es que los dominios magnéticos en el disco duro están muy poco acoplados al medio ambiente, lo que significa que es muy difícil poner o quitarles energía. Sin embargo, después de una inmensa cantidad de tiempo, el sistema evolucionará a la misma temperatura que el entorno y toda la información que almacenó en el disco duro desaparecerá.

Un corolario de esto es que es más fácil manipular la información a temperaturas cercanas a cero. Esto es interesante tanto desde un punto de vista práctico, como hacer computadoras más rápidas, y desde un punto de vista teórico, ya que el universo se está enfriando permanentemente y esto puede aportar una idea de las propiedades de un universo muy frío.

EDITAR: Esto supone que los ceros y unos tienen la misma energía. Puede pensar en un cero como uno “rotado”, y rotar algo no cambia su energía (a menos que esté interactuando con campos externos, lo que suponemos que no es el caso). Si hay campos externos, la energía será la suma de la interacción de cada dominio magnético con el campo externo más la energía que tienen los dominios cuando interactúan entre sí, lo que hará las cosas un poco más complicadas, pero las ideas termodinámicas se mantendrán lo mismo.

Puede aumentar o disminuir.

Considere las tabletas de arcilla antiguas que se usaron para inscribir información como las coordenadas celestes, el nivel del agua del río, la cosecha, etc. Estos fueron dispositivos de almacenamiento primitivos que permitieron al escritor extraer pequeñas secciones de arcilla para almacenar información.

Estos dispositivos se volvieron más ligeros cuando se escribió información en ellos

Por otro lado, para papel a base de pulpa, sucede lo contrario. A medida que escribe con tinta, aumenta el peso.

Si la masa aumentará o disminuirá depende de cómo funcione el sistema de almacenamiento.

En los casos anteriores, el cambio de masa es verificable.

Para una respuesta elaborada considerando los dispositivos electrónicos modernos como un medio de almacenamiento, consulte amablemente la respuesta de Akash.

Pues si y no.

La gente realmente inteligente de Bell Labs descubrió a fines de la década de 1940 que había algo en este vago concepto de “información”. Eventualmente, cavaron tan profundamente que descubrieron que la información tiene energía. Muy desconcertante

Ahora las manchas en un disco o los pozos de electrones en una memoria flash almacenan información. Así que supongo que hay energía de información almacenada allí. SIN EMBARGO, un disco o una memoria flash en blanco y formateado probablemente tenga el mismo patrón aburrido, a menudo $ usp $ 0 en todos los bits (eso es alternar ceros y unos). La pregunta es: ¿es esto realmente “información” si es tan aburrido y predecible? Cuando lo sobrescribe con información altamente no redundante, como un archivo .zip o .jpeg, ¿ese desastre impredecible tiene más información? (sí), ¿esa información pesa más de $ E5? No se. Algún asistente podría tener una respuesta, no dude en informarnos. No es que realmente importe, la energía y el peso extra tienen que ser terriblemente pequeños, supongo que en los picogramos bajos.

Hay algunas respuestas bastante buenas aquí. Solo me gustaría agregar un pequeño punto (entretenido) sobre dispositivos de almacenamiento de masa y etc. Algunos dispositivos de almacenamiento realmente pierden masa a medida que se usan. Lo sé porque tuve que limpiar parte de esa masa periódicamente. ¿Los dispositivos? Cintas magneticas. A medida que se usaban, vertían micropartículas (MASA) en el área del cabezal de lectura de la cinta y las columnas de vacío. Debían limpiarse para evitar errores de lectura de cinta en el futuro.

PD. ¡Y de vez en cuando, también tenía que vaciar el Bit Bucket!

Es cierto que la información requiere algo de energía mínima y, a su vez, masa.
Sin embargo, para el dispositivo de almacenamiento, siempre tiene la misma cantidad de información.
El disco duro en blanco tiene la misma cantidad de información que si estuviera lleno de fotos familiares, por ejemplo. Son todos los ‘0’ versus algún patrón de ‘0’ y ‘1’.
Pero ‘0’ probablemente pese diferente que ‘1’, depende de cómo se almacenen.

Hace unos años, alguien hizo un estudio sobre este mismo tema y calculó que el peso total de la información en Internet es casi tan grande como una fresa. A estas alturas probablemente sea 1.5 fresas, supongo.