2.1
从世界的本源与数字文明说起

几千年前，中外哲学家就开始探讨世界的本源，并形成了多种流派。

其中唯物主义认为，世界的本源是物质，精神是物质的投影和反映。在意识与物质之间，物质决定意识，意识是客观世界在人脑中的反映，而客观世界独立于意识之外。

而且，世界的基本组成是物质，物质形式与过程是我们认识世界的主要途径。而唯物主义又形成了机械唯物主义、辩证唯物主义。机械唯物主义认为物质世界是由各种个体组成的，如同各种机械零件组成一个大机器，不会变化；辩证唯物主义认为物质世界永远处于运动与变化之中，它是互相影响、互相关联的。

伴随科学的进步，人们对世界本源的认识还在不断丰富。19世纪初期，科学家们经研究发现，世界上的一切物质都是由化学元素组成的。从人体到细菌，从树林到泥土，从流动的水到看不见的空气，都是由各种化学元素组成的。不但地球上的物质是由化学元素组成的，就连其他星球上的物质也是由元素组成的。

今天，人们对世界本源的看法出现了更丰富的变化。新的观点认为，世界的本源不仅是物质，还包括能量、信息等。能量的表现形式有多种，包括机械能、辐射能、分子势能、光能、磁能、电能、化学能、核能等。

同时，世界是一个信息场，充满各种各样的信息。信息有多种类型，可以反映事，也可以反映物。信息具有不同的内涵，反映物质世界的普遍联系；是与外界相互作用、交换的内容；人类进步的实现，就包括了对现有信息的深度理解与创新、对信息世界的突破；人类的活动都是建立在对信息世界理解的基础上的。

在农耕文明时代，能量与信息的价值体现较小，土地是最核心的天然资源，劳动力是最主要的生产力，日常生产活动围绕农田进行；在一些不适合农耕的地方，比如草原，主要产生了游牧民族与对应的游牧文明。

进入工业文明时代之后，随着蒸汽时代、电气时代的到来，能量与信息上升到非常重要的位置。第一次工业革命，生产所依靠的能量发生了明显变化，机械陆续代替手工，进一步提高生产效率。

具体来讲，从18世纪中叶开始，手工工场的生产技术能力已经无法满足市场需求，于是人们开始想办法改进技术。1733年，英国人凯伊发明了织布的飞梭，提升了织布效率。但纺纱机的效率不足，人们对棉纺品的需求越来越大，迫切需要改良纺纱机。

后来，英国工人哈格里夫斯研究出了竖直纺锤的新式纺织机，他用女儿的名字为其命名——“珍妮纺织机”，效率提高了8倍。该机器不断改良，纺锤增加到18个、30个，一直到100个。再到1769年，英国人又发明了卷轴纺纱机，以水力为动力，解决了人工问题，纺出的纱既结实又有韧力。

而中国在更早的时候也曾发明水转大纺车，有32个纺锤，每车日产量10斤，比珍妮纺织机还先进。但令人遗憾的是，后来没有得到发展。

更大的进步则体现在蒸汽机的使用，这使得能量的价值向上攀升了几个台阶。先是出现了简易蒸汽机，后来瓦特做了改良，使蒸汽机成为通用原动机，并且推广到采矿、冶金、机械、化工、海陆交通运输等多个行业。人们开始使用煤炭等化石能源作为动力源，实现了质的飞跃。

在瓦特改良蒸汽机之后，还产生了大量机器与技术，比如水力织布机、移动刀架、通过车床实现刀具制作的机械化、刨床、磨床、蒸汽轮船、蒸汽机车。

在随后将近200年的时间里，第二次工业革命的电气时代，第三次工业革命的原子能时代，各种新的机器、新的技术陆续出现，新能源被发现与使用，其中都有一个关键点，那就是新能量的应用与能量之间的相互转换，并应用于各个行业，推动社会发生一个接一个变局。

我们可以大概梳理第二次工业革命到第三次工业革命里的典型事件。

第二次工业革命： 非常典型的是电、内燃机的广泛使用，可以更高效率地传输直接可用的能量，进一步提高生产效率，并生产出一些以前不曾有的事物。

电的应用方面，出现了西门子发电机、格拉姆电动机、发电厂，以及电灯、电车、电话、电影等产品。内燃机的发明与应用，具体体现有柴油机、内燃机车、远洋轮船、飞机、汽车等机器；化学工业方面，则出现了燃料、化肥、塑料、化纤等。典型事件为福特制造出美国第一辆汽车、莱特兄弟造出飞机等。

第三次工业革命： 以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及新能源技术、信息技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等。

一些标志性的事件包括：计算机诞生并持续升级，运算速度不断提高；原子弹爆炸、核电站及核能投入运用；人造卫星上天、航天飞机升空，载人航天、探月工程等取得重大进展；动力电池技术走向市场，电动车逐渐普及等。

每次工业革命都推动了能源、信息方面的变革。第一次工业革命时，人类大规模使用煤炭作为工业能源，比以前的水力机械、风力机械等更为先进；信息革命浮出水面，重点是电报的出现，让信息不必依赖实物传递，借助虚拟的信号就能传输得很远，速度更快。另外，在巴黎一家咖啡馆，法国卢米埃尔兄弟放映了人类第一部电影，信息的呈现发生了新的变化。

第二次工业革命期间，能源变化表现在石油、天然气与电力的广泛应用，扩大了能源在工业上的使用范围，石油可以提炼出各种材料，还能转化成其他能量，成为各种机械的动力；转化成机械能，驱动车辆。信息革命再次推进，电话的出现，让点对点的信息沟通更为方便，不用再去电报局收发电报，提高了效率。

第三次工业革命期间，能源变化体现于可再生能源的研究与运用，石油、煤炭等化石能源面临危机，需要转型开发可替代的可再生能源，比如风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等。

而信息革命方面，受益于大规模集成电路和互联网、移动互联网等的发展，信息呈现海量增长，获取信息的渠道变得更加多元化。以人工智能、大数据开启的信息互联网、能源互联网和物联网等，成为信息生产的主要来源及信息传播的主要渠道。

杰里米·里夫金认为，第三次工业革命通过新能源与互联网结合，使人人都能创造信息、发布新闻、提供能源，以五大支柱为基础，催生新的经济模式，即能源互联网经济。能源互联网的核心是分享能源，在能源互联网上，每一个微型电站生产的多余能源都可以跨洲出售和传输。

那么，是哪五大支柱作为基础？杰里米·里夫金的观点是：①向可再生能源转型；②将每个大洲的建筑转化为微型发电厂，以便就地收集可再生能源；③在每一栋建筑物以及基础设施中使用氢和其他存储技术，以存储间歇式能源；④利用互联网技术，将每大洲的电力网转化为能源共享网络，调剂余缺，合理配置使用；⑤运输工具转向插电式以及燃料电池动力车，所需电源来自上述电网。

继几千年的农耕文明、近三百年的工业文明之后，数字技术的繁荣继续带给社会新的变化，不仅在经济领域产生重大影响，而且催生新的社会秩序及新的文明形态，也就是数字文明，物理世界和虚拟世界的界限变得模糊。

数字文明建立在大数据、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术的基础上，经济模式、社会结构和政府治理等都发生了新的变革，数字经济、数字政府、数字社会、数字安全等成为社会的主流形态。

在这个新时代，能量和信息的重要性更加突出，典型特征是，推动社会发展的能量以电力为主，并且正在构建以新能源为主体的新型电力系统。也就是说，要控制化石能源的消耗量，同时提高非化石能源占能源消费总量的比重，推动整个电力系统朝清洁化、智能化、去中心化的方向发展。那么，有哪些新能源可以在新型电力系统中起主导作用？风电、光伏等都是有潜力的。

随着高比例可再生能源、分布式能源系统的建设与成熟，以去中心化为特征的新型能源，有潜力成为电力市场的重要组成部分。

其实早在100多年前，马克思就曾预言：“蒸汽大王在前一个世纪中翻转了整个世界，现在它的统治已到末日，另外一种更大无比的革命力量——电力的火花将取而代之。”100多年来的历史，充分证实了马克思预言的准确性。到了数字文明时代，电力的重要性不仅没有下降，反而上升到了更核心的位置，整个世界的运转几乎已经无法离开电力。

在数字文明时代，信息的重要性显得更加突出。数字文明的繁荣，就得益于信息的爆炸式增长与全球范围内的高效流通。前些年，“信息时代”一度成为社会热点。

围绕信息，我们发展出了信息科学，体现为电报、电话、无线电、电视机、计算机等信息技术的成就。香农用一个“熵”的概念以及3个简洁的定理，描述了信息科学的本质。

香农第二定理解释了信息传输的规律，就是“信息的传输率永远不可能超过信道的容量”，一旦超过，出错率就是100%，所有人都无法通信。我们想要传输率更快，就要增加信道的容量。

如何增加信道的容量？

一是增加频率范围，就是带宽；带宽越大，信道的容量越大，比如光纤通信，就比无线电通信、电缆通信的传输率高很多，因为它的带宽更大。同样是无线电通信，从1G到5G，它的频率不断提高。4G的发射频率约2000兆赫，到了5G，发射频率增加到6000兆赫左右，未来还会继续增加。

二是增加信噪比，这个指标越高，信道的容量就越大。信噪比是什么呢？就是信号和噪声的比值。要想信噪比高，就得增加信号强度，或者降低噪声。如何增加信号强度？可以加大发射功率，但不能一直增加，因为容易对周边人群造成辐射伤害，所以需要限制在安全范围内。然而随着距离的扩大，信号强度会衰减。

那么，在不增加发射功率的情况下，想增加信噪比，怎么办？一般是缩短通信的距离，5G基站之所以建得非常密集，就是出于这个原因。

在香农之外，冯·诺依曼也解释了信息和运算的关系。信息不仅是用来传输的，还可以发挥更大的作用，那就需要运算和存储。他设计了电子计算机的框架，设计思想是，一台电子计算机应该包括运算器、控制器、存储器、输入与输出设备，它是由程序自动控制的。今天关于计算机的研究，依然在他设计的框架里改进。

全球第一台电子计算机ENIAC，1946年完工，每秒能运算5000次，而现在的超级计算机，比如“天河一号”，峰值速度高达每秒4700万亿次，持续速度每秒2566万亿次；“天河二号”更快，峰值计算速度高达每秒10亿亿次。假设每人每秒钟进行1次运算，“天河二号”运算1小时，相当于13亿人同时用计算器算上数千年。

计算速度这么快，是如何实现的？其中一个关键因素就是芯片工艺。芯片是由晶体管组成的，一块芯片有多大的计算能力，看芯片上的晶体管有多密集就知道了，比如麒麟980，是7nm工艺制程的芯片，有69亿个晶体管。

信息的存储也在进步，以前是在纸带上打孔，把运算过程记录下来。后来演变成磁带，可以记录歌曲声音等；再后来是磁盘，接着演变为硬盘，存储空间也从几十KB增加到了现在的几百GB。

科学家图灵提出了著名的“图灵测试”，定义数据与智能的关系。他认为，如果机器能够与人类展开对话，而不被辨别出机器身份，那么，这台机器就是具有智能的。

以往，我们认为，数据产生信息，信息产生知识，知识产生智慧。而图灵告诉我们，不用通过知识产生智慧，从数据就能直接产生智慧。

在工业文明时代，公路、铁路等交通基础设施发挥巨大作用；在数字文明时代，数据基础设施显得特别重要。数据基础设施，就是利用数字化的技术，采集、保存并且最大化发挥数据的价值。

在信息时代，数据以非线性的几何级数速度快速增长，同时人类处理数据的能力全面提升。据IDC的分析，2020年全球数据总量达到44ZB，中国数据量达到8060EB，占全球数据总量的18%。中国信通院、艾瑞咨询发布的数量显示，全球总数据量在2020年达到47ZB，而据预测，到2035年，全球数据将达到2142ZB，整个数据变化量预计如图2-1所示。

仅2020年，全球智能手机出货量达12.9亿部，这是大量数据产生的来源，加上工业互联网、物联网、智能设备、科学仪器、传感设备、电商平台、电子邮件、社交网络平台、音/视频等，进而催生了海量数据。

与此伴随的是，储存、计算、分析、挖掘、交换、处理、利用数据的能力全面提升，进而引发数据技术的革命，比如新的晶片、记忆体、云计算、边缘计算等持续进步，使得海量数据得以快速处理。数据的价值也得以体现，用于各个行业与场景，比如车辆监管预警、天气预测、智慧医疗、征信与融资服务等。

海量数据的产生与应用，使得数据成为新的生产要素，而数据要发挥价值，必须通过计算工具进行挖掘，这就要用到算力。尤其是随着工业机器人、服务机器人、无人驾驶、语音识别、视觉识别等智能化应用的不断发展，对于数据的利用出现了更多维度、更具深度的需求，而在这背后，则需要更多的算力提供驱动力。

来源：中国信通院、艾瑞咨询

从发展来看，数字文明预计经历3个阶段：一是基于物联网将所有信息数字化，进而实现万物互联；二是人类关系的数字化，可以通过机器读取，比如搜索人与人之间的相关信息；三是镜像世界，就是把世界上所有物理存在的物体进行数字化，机器可以读取，借助算法在真实世界里搜索。 T1obvz8QreWFl/l6DKSR2TvsjAceYaG6X4mbGd7l3fGejC+r5FZ0lMayZibZ1UXh