¿Es más pesado un disco duro cuando está lleno?

Navegando en Quora, vi la siguiente pregunta con respuestas contradictorias.

Para la respuesta más votada :

Los bits están representados por ciertas orientaciones de campos magnéticos que no deberían tener ningún efecto sobre la masa gravitacional.

Pero, otra respuesta contradice esa:

Lo que es más importante, un mayor contenido de información se correlaciona con una configuración más energética y esto es cierto independientemente del tipo particular de almacenamiento... Ahora, según la fórmula más famosa de Einstein, la energía es equivalente a la masa.

¿Qué respuesta es correcta?

La licencia poética debe leerse implícita al interpretar la palabra "lleno". El disco no sabe cuándo está "lleno", y puede estar lleno de ceros o de números aleatorios, casi opuestos cuando se contabiliza la energía.
Aquí está mi propia adición a la pregunta: cuando los dominios magnéticos están todos alineados de manera similar, todos ceros o todos unos en la mayoría (pero no en todos) los posibles esquemas de codificación de medios magnéticos, comienza a obtener un campo magnético externo no trivial. En efecto, el disco se convierte en un débil imán permanente. Se necesita energía para crear tales campos, y tales campos externos simplemente no existirían a ninguna distancia para bits aleatorios. Entonces, ¿se ha tenido plenamente en cuenta este campo de energía externo en las estimaciones de los estados de energía de un disco magnético que tiene un solo estado, es decir, que no codifica datos?
Aunque ni un disco de solo 1 ni un disco de solo 0 contiene nada de lo que llamaríamos información útil.

Respuestas (7)

Escribí una publicación en el blog sobre esto hace algún tiempo. La respuesta es sí, pero por una pequeña cantidad que nunca serías capaz de medir: algo como 10 − 14  gramo (aproximadamente) para un disco duro típico de ~1 TB.

Ese valor proviene de la fórmula de la energía potencial de un par de dipolos magnéticos,

mi = m 0 4 π m 1 m 2 porque ⁡ θ r 3

En mi publicación, estimo que un disco duro puede contener 10 23 electrones totales, divididos en 10 12 dominios magnéticos que están espaciados alrededor 0.1   m metro aparte. Eso significa que el momento magnético de cada uno de estos dominios es 10 11 m B , con m B = mi ℏ 2 metro mi siendo el magnetón de Bohr . Si conectas esto en la fórmula anterior y lo multiplicas por 4 bajo el supuesto de que cada dominio magnético interactúa con los 4 vecinos más cercanos, terminas encontrando que la energía total no es más que 5  j , dependiendo del valor de porque ⁡ θ . Eso corresponde, a través de mi = metro C 2 , a una masa equivalente de alrededor 10 − 14  gramo .

Es cierto que todos estos números son estimaciones aproximadas del orden de magnitud, y hay varios otros efectos que contribuyen con pequeños fragmentos a la energía, pero cualquier corrección no cambiará esto en más de un par de órdenes de magnitud en un sentido o en otro. otro. Dado que la masa equivalente de la energía almacenada en los imanes es 17 órdenes de magnitud menos que la masa del disco duro, es seguro decir que la diferencia es indetectable.

Por cierto, también probé el cálculo equivalente para la memoria flash en otra publicación de blog.

Buena respuesta, pero esto aún no aborda cómo espera que cambie la configuración del dipolo y su contenido de energía asociado en función de la cantidad de información almacenada en el disco (+1 de todos modos).
Sí, intencionalmente no abordé eso en detalle. Podría variar en algún lugar entre + 5  j (para una rejilla antialineada) y − 5  j (para un magnetismo completamente uniforme). El punto principal que quiero señalar es que, independientemente de las suposiciones que haga, la diferencia de peso es demasiado pequeña para medirla.
@DavidZaslavsky: El problema es que los dipolos alineados aleatoriamente tienen menos campo magnético que los dipolos alineados, por lo que el signo de la corrección podría ir en sentido contrario: un disco duro lleno sería mucho menos debido a la fuerza de interacción dipolo reducida. Entonces, escribir 0101010101 sería energéticamente óptimo. Pero este argumento se confunde con el dominio de la energía superficial, que va en sentido contrario.
@DavidZaslavsky: corrija dos cosas: 1. es técnicamente válido usar E=mc^2 de esta manera, la masa del disco duro es la misma energía en el disco duro (el disco duro no se mueve, por lo que hay ni siquiera es una ambigüedad con respecto a la masa relativista, por lo que es simplemente cierto). 2. El cálculo que hizo es incorrecto --- la interacción dipolo dipolo da un signo diferente al sugerido por OP, y la energía del dominio (que es comparable cuando los dominios del disco duro son los mismos que la estructura del dominio natural en el disco equilibrado) va como dice OP.
@DavidZaslavsky, creo que RonMaimon tiene razón en esto. Piense en la energía necesaria para obligar a los dominios a alinearse en un imán de neodimio y en lo frágil que la energía capturada hace que el imán se rompa. Estoy bastante seguro de que la configuración de energía más baja es la que tiene alternancia igual de 1 y 0, y la más alta es todo 0 o todo 1. Por supuesto, en los discos reales, en realidad no se restablecen a ceros, y los programas de borrado generalmente usan patrones aleatorios. Pero, no obstante, reducir el disco a un bit gigante, todos 1 o todos 0, debería ser la configuración de energía más alta. (¡Pienso!)
@TerryBollinger hm, bueno, concedo que la energía de la pared del dominio compensará un poco mi cálculo, pero no sé si en realidad cambiará qué estado tiene la energía más alta y cuál tiene la energía más baja. Probablemente depende de la arquitectura del disco hasta cierto punto. En cualquier caso, no importa, ya que lo único que me importa aquí es la magnitud de la variación en la masa equivalente, y las contribuciones a la energía más allá de la interacción del dipolo no van a aumentarla en varios órdenes de magnitud.
Lo siento. Un novato aquí. ¿Reformatear hace que el disco duro sea más liviano?
@DavidZaslavsky: -1, lo siento, es molesto tener que repetir cosas. No estaba diciendo que la energía de la pared del dominio compensa su cálculo, estaba diciendo que se equivocó de signo en su cálculo: alinear los dipolos aumenta su energía, no los reduce, por lo que un disco duro lleno pesa menos. . La energía de la pared del dominio solo significa que para los discos duros lo suficientemente densos esto cambia. PARA ver que la pérdida de masa es insignificante, solo requiere que tenga en cuenta que este tipo de energía de reactivación de electrones no puede ser más de 1 eV por átomo, mientras que la masa de un átomo en el disco duro es 10s de GeV por átomo.
Ah, tienes razón... no estoy seguro de cómo me perdí eso. Pensé que había revisado la fórmula cuando originalmente escribí mi publicación en el blog. En cualquier caso, los aspectos cualitativos de mi respuesta no se ven afectados.
La pregunta interesante es si es más pesado o más liviano... es necesario buscar cómo se codifican los datos para el almacenamiento para responder a esto. Con algunas codificaciones, se puede esperar que la energía sea idéntica para el disco duro que almacena un archivo de ceros y el que almacena un archivo de unos o 010101. La codificación es bastante complicada. editar: consulte en.wikipedia.org/wiki/Modified_Frequency_Modulation para obtener más información.
Mmm. Bueno, todo lo que estaba mirando es la energía a gran escala (por ejemplo, a centímetros de distancia) almacenada en B . Es significativo para un gran imán permanente, efectivamente inexistente si tiene dominios de cancelación microscópica. Si eso está cubierto o es demostrablemente trivial en comparación con las energías de la pared del dominio, estoy bien.
Dado que algunos sitios web chinos citaron esta respuesta, creo que es necesario señalar aquí uno de los defectos vitales de la estimación de David Zaslavsky. Todos estos cálculos se realizan en caso adiabático (aislado con baño de calor de nuestro entorno, sin considerar temperatura, entropía, etc.). El cálculo de termodinámica que hizo aquí es solo para "microestados" que podrían ser completamente erróneos si se conectan a un baño de calor (permitiendo la transferencia de calor). De hecho, podría obtener una temperatura negativa para su sistema al calcular dE/dS. ¿Qué esperas si tenemos una temperatura ambiente T=273K? D
@BoZeng Tenga en cuenta que tendría que demostrar que la disposición de los dominios magnéticos estuvo en contacto con un baño de calor para que ese argumento sea importante. No es suficiente mostrar que la masa de la unidad se estaba calentando y enfriando, sino que los estados magnéticos estaban cambiando, lo cual es un escenario bastante menos probable.
@BoZeng como este cálculo es un límite superior en la variación de la energía con el contenido de la unidad, las consideraciones termodinámicas que señala no son relevantes. A menos que realmente estén alterando la división del disco en dominios magnéticos, pero eso es poco probable a temperatura ambiente.
@DavidZaslavsky, por supuesto, esto se basa en el supuesto de que las unidades funcionan al alinear ceros y unos de manera correspondiente. No es así . Además, si los datos están comprimidos o encriptados, tendrán una entropía máxima y, por lo tanto, las contribuciones de las orientaciones deberían/podrían cancelarse.
@Sklivvz, por supuesto, esto es solo un modelo simplificado. Y también, como dije, es un límite superior en la variación de energía, por lo que la entropía de los datos no importa.
@DavidZaslavsky Lo siento si no fui claro, no estaba en desacuerdo con tu conclusión :-)
@DavidZ, ¿no son cero y uno simplemente identidades lógicas que podrían revertirse? En otras palabras, ¿es posible que haya un disco duro que sea más pesado cuando está "vacío"?
@Pacerier El punto es que una configuración como 1010101010101 (es decir, "lleno") es más pesada que 1111111111111 o 0000000000000 (es decir, "vacío"), en este modelo de interacción magnética simple.
La energía potencial no tiene masa. La orientación de un campo magnético no afecta a la masa. A menos que estés convirtiendo materia en energía o viceversa, la masa no cambia.

Una pregunta muy similar es cuánta energía (o masa) se requiere para almacenar cierta cantidad de información, independientemente del formato. Ya sea que almacene su información con un voltaje sobre un capicor de dominio magnético, para evitar corrupción/errores de lectura, la energía para almacenar un bit debe ser

mi >> k T

En general, un buen mínimo es mi = 6 k T . Ese es 10 − 20 j / b i t a temperatura ambiente, o 10 − 9 j = 10 − 26 k gramo para una unidad de 1 TB.

Tenga en cuenta que este es un número mucho más bajo que el de la publicación de David Zaslavsky. En general, el almacenamiento y procesamiento electrónico utiliza más energía o potencia que el límite termodinámico en muchos órdenes de magnitud.

Todo lo que necesita son barreras de energía para voltear un poco, no tiene que haber ninguna diferencia de energía entre los dos estados, por lo que el cambio de energía entre lleno y vacío puede ser cero incluso si los dos estados no se mezclan termodinámicamente. Por ejemplo, para un ábaco, no hay cambio de energía para deslizar las cuentas, solo una enorme barrera para moverlas termodinámicamente una distancia macroscópica.
Ron, creo que tienes razón, por lo que mi respuesta puede ser engañosa. Me pregunto si se puede pensar en la entropía de la información como una fuente de masa: para ordenar los bits, debemos trabajar eliminando la entropía. Tal explicación tendría un orden de magnitud similar a mi respuesta.
el problema es que tanto el vacío como el lleno tienen la misma entropía de información, si sabes qué bits están escritos en el disco en ambos casos. No es el valor, sino la aleatoriedad, lo que te dice la entropía. Entonces, no puedo encontrarle sentido a ninguna respuesta, excepto "no, pesan lo mismo".
Lay question: ¿qué es el operador ">>"? Conozco dos formas de leerlo ("mucho mayor que" y "bits de desplazamiento a la derecha"), pero no creo que ninguna de ellas tenga sentido. ¿Puede vincular a una explicación comprensible para los profanos del operador o (aún mejor) de la ecuación?
@OBrien, quiero decir "mucho mayor que". La energía (o barrera de energía) debe ser mucho mayor que la energía térmica para evitar cambios en las brocas inducidos por la temperatura. Como estamos pensando en términos de un proceso exponencial, podemos satisfacer mi >> k T con 6 >> 1 .

Ya sea que su disco duro esté "lleno" o no, está formateado. Así es como su computadora puede saber qué tan grande es la unidad, por ejemplo. Entonces, para responder la pregunta correctamente, es necesario que calculemos las estadísticas de la cantidad de dominios digitales en un disco recién formateado y lo comparemos con las estadísticas de los dominios en uno con datos (presumiblemente aleatorios) escritos en él.

Una unidad de disco duro recién formateada de fábrica tiene ceros almacenados en sus sectores. Consulte el interesante artículo de wikipedia sobre formato, especialmente esta entrada. Si desea borrar datos en un disco duro, no es suficiente con "borrarlo". También se deben escribir ceros sobre él para que todos esos dominios digitales se queden atascados en su situación recién formateada. Esos ceros no significan que no haya cambios en el dominio magnético. En cambio, significa que los cambios de dominio están en un patrón particular que codifica "0" en lugar de "1".

La codificación de los discos duros suele ser un esquema de "longitud de ejecución limitada (RLL)" . Por "longitud de ejecución" se refieren al número de dominios consecutivos que están orientados en la misma dirección. La limitación es evitar que este número sea demasiado grande, ya que esto permitiría que el lector del disco duro no esté sincronizado con los datos. Wikipedia afirma que algunos medios también están equilibrados en CC con "algunos tipos de medios de grabación", es decir, hay tantos dominios orientados en un sentido como en el otro. No he visto esto en medios grabados, pero esto es común en cosas como Fast Ethernet (los chips PHY lo usan) o estándares de video digital como HDMI que usa TMDS .

Entonces, la publicación aceptada por David Zaslavsky es incorrecta. Sin embargo, la física es correcta, por lo que voté +1 a favor. Pero esta respuesta da el "resto de la historia"; la vida no es tan simple como parece a veces.

Un disco duro no debería cambiar los resultados en ninguna medida de masa.

Antecedentes:
en los sistemas originales de Fert y Grünberg, una capa de cromo no magnético estaba intercalada por capas de hierro ferromagnético. Si los espines atómicos en las sucesivas capas de hierro estuvieran orientados en la misma dirección, haciendo que la magnetización general de ambas capas fuera paralela, los electrones también podrían alinear sus espines y atravesar el material con poca resistencia. Pero la resistencia eléctrica se disparó cuando la magnetización de la segunda capa de hierro se alineó en forma antiparalela a la primera. Esto se debe a que los electrones que habían orientado sus giros con un conjunto de átomos de hierro se dispersaron al encontrarse con la siguiente capa. El equipo de Fert utilizó una serie de capas de hierro con magnetización alterna, lo que fortaleció el efecto sobre el flujo de electrones.

Referencia:
http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2007/October/09100703.asp

Los bits están representados por ciertas orientaciones de campos magnéticos que no deberían tener ningún efecto sobre la masa.

Agregan energía, por lo que agregan masa.
En un disco duro "vacío" los momentos magnéticos están orientados de tal forma que no hay información lógica en el disco duro. Si escribimos algo en el disco duro, la orientación de los momentos magnéticos cambia de manera que la computadora lo "entiende". Cambiar la orientación de los momentos magnéticos no debería cambiar la masa.
Esto es incorrecto. Cambiar la orientación de los momentos magnéticos cambia la energía y, por lo tanto, cambia la masa en una pequeña cantidad. Si sube o baja depende de los detalles.
si, ya que los campos magneticos no tienen energia
@RonMaimon, la energía no tiene masa.

La entropía de un disco ordenado es necesariamente menor que la de uno que contiene bits aleatorios. Cuando uno almacena información en el disco, ese orden se puede observar como localizado. Si uno pudiera almacenar datos sin transferir energía a los bits magnéticos, la masa no cambiaría. Si la unidad está en un estado previamente ordenado, como lo estará si ya se ha escrito (incluso si se borró), entonces la información que escribe puede crear una pérdida neta de orden sobre el estado anterior. Pierdes ese orden anterior como energía neta al medio ambiente. Sin embargo, en ausencia de un almuerzo gratis, parecería que cualquier orden de los bits que se pueden recuperar requiere un estado de energía potencial más alto que la ausencia de esa información localizada y esto tiene una energía de masa total mayor.

 

Hay sistemas para los cuales el máximo de entropía viene antes que el máximo de energía. Tal sistema necesariamente muestra temperaturas negativas.

los 1 y 0 no se llenan y eliminan en base a la eliminación o borrado de archivos, esto se hace en la FAT, nadie que te responda sabe que tipo de cargo es un 1 o un 0 en el "disco duro" como nosotros no he especificado qué disco duro.

así que incluso después de que los nerds de la ciencia hayan encontrado alguna razón intrincada, debe ser más pesado (porque los electrones tienen masa), esto se basará en la gran suposición de que hay más electrones en un disco duro lleno xD

Es muy posible que haya más electrones en un disco duro vacío, en realidad, aunque reconozco que se equilibrará, verá que en cualquier lugar hay mucha carga, tiende a repeler la carga del entorno, las partes que no mediríamos. son todos los muchos millones de partículas redundantes entre los espacios que aún no hemos utilizado para almacenar información

-1: No tiene nada que ver con electrones extra. La masa es la masa de la energía extra en el impulso. Esto es teóricamente interesante: ¿cuánta diferencia de energía necesita para almacenar una cantidad determinada de datos de forma semiestable? Se requiere una energía mínima para cambiar los datos, pero las barreras para el borrado espontáneo pueden ser grandes, por lo que no hay diferencia de energía que dependa del tipo de información que almacene. En cuanto a tus cálculos --- si no eres un nerd de la ciencia, ¿por qué alguien te escucharía?
¿Es más pesado un disco duro cuando está lleno?
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