《元宇宙与碳中和：深度融合解析“元宇宙”与“碳中和”两大体系》.pdf

元宇宙与碳中和 熊焰 王彬 邢杰◎著 中国出版集团 中译出版社 版权信息 图书在版编目（CIP）数据 元宇宙与碳中和/熊焰，王彬，邢杰著.--北京中译出版社， 2022.4 ISBN 978-7-5001-6986-4 Ⅰ.①元 Ⅱ.①熊②王③邢 Ⅲ.①信息经济-研究 Ⅳ.①F49 中国版本图书馆CIP数据核字（2022）第031461号 元宇宙与碳中和 著 者熊焰 王彬 邢杰 策划编辑于宇 李梦琳 刘香玲 张旭 责任编辑于宇 文字编辑李梦琳 方荟文 营销编辑吴一凡 杨菲 出版发行中译出版社 地 址北京市西城区新街口外大街28号102号楼4层 电 话（010）68359827；68359303（发行部）； 68005858；68002494（编辑部） 邮 编100088 电子邮箱bookctph.com.cn 网 址http//www.ctph.com.cn 印 刷北京顶佳世纪印刷有限公司 经 销新华书店 规 格710mm1000mm 1/16 印 张27 字 数324千字 版 次2022年4月第1版 印 次2022年4月第1次印刷 ISBN 978-7-5001-6986-4 定价78.00元 版权所有 侵权必究 中译出版社 序一 我国二氧化碳排放力争于2030年前实现达峰，2060年前实现碳中和的目标，是党中央 经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。 为实现碳达峰、碳中和目标，我国将建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，将碳达 峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局，以经济社会发展全面绿色转型为引领，以能源绿色 低碳发展为关键，加快形成节约资源和保护环境的产业结构、生产方式、生活方式、空间格 局，坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路。同时，我国组织制定并将陆续发布 “1＋N”政策体系。 “双碳”目标的实现，要靠技术进步，尤其是要靠信息技术的进步。在各国应对气候变 化战略中，大都提出积极推进信息化、大数据应用，促进低碳转型。近年来，我国数字化、 智能化技术和产业创新日趋活跃，已建成全球规模最大的信息网络，5G商用迈出坚实步伐， 巨大市场、完整产业和信息化深度融合正在构成中国的强大优势。习近平总书记指出，数字 技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、政治、文化、社会、生态文明建设各 领域和全过程，给人类生产生活带来广泛而深刻的影响。 元宇宙已成近期地方“两会”的热点话题，上海、武汉、合肥等地将元宇宙写进政府工 作报告或十四五规划。我把元宇宙理解为新一代的互联网，新一代的大数据、VR、AI和区块 链等信息技术的集成。 元宇宙对于碳中和目标的达成具有极其重要的意义。元宇宙将大幅度的提高GDP中的 数字经济比重，它在数字设计、数字仿真方面的作用将极大地提升GDP中的信息化和数字经 济的比重，提升多元化、智能化能源体系的水平和降低碳排放。元宇宙所实现的数字孪生将 极大地降低人与人、物与物移动的成本和阻力，提高能源利用效率和降低碳排放量。元宇宙 的高度发展使得各种计算趋于精密，使得人与虚拟世界高度融合，这将极大的推动低碳技术 的突破。 推动元宇宙支持碳中和时，一定要注重与技术创新、产业链构建和市场拓展的深度融 合，使技术进步落实到发展目标的全过程。 本书作为中国产业发展促进会“元宇宙与碳中和”课题的基础资料，本书的作者中既有 当年中国碳市场的推动者、建设者，也有元宇宙、信息产业的年轻新锐。他们思想敏锐、眼 界开阔、踏实认真，为我们提供了一部非常难得的作品。 刘燕华 国家气候变化专家委员会名誉主任 科技部原副部长 序二 质量、运动与信息，是物质世界的三大基本要素。能量是物质的动态形式，是质量与 运动的倍乘组合，是维持自然界生态平衡的动力和源泉。而信息大多以数据的形态展现，是 客观规律的表达，但需要经常去发现和挖掘。信息和数据的关系，就像金子和沙子的关系。 人类文明史很大的一部分，就是不断地利用能量，产生、积累和利用数据，再去发现和掌握 更大的能量，产生和积累更大量的数据，从而不断实现文明进阶和晋级的过程。 从可追溯物理数据的角度上说，信息发展史起于宇宙大爆炸之初。随着人类的出现， 文明的发展，不断地以各种数据形式表达、记录、处理和传输，数据量也越来越巨大。从结 绳记事到算盘，到20世纪50年代电子计算机的出现，将人类的信息处理能力升级到机器时 代。计算机互联网、移动互联网极大提高了人类产生、传输、处理、使用数据的能力。今天 人类又来到人机融合的时代序幕前。 起源于科幻概念的元宇宙，很好地契合了这一发展机遇，70多年来，IT（信息技术） 和互联网的发展，为人类在算力、算法、存储和传输等方面做了很好的积累和铺垫，随着人 工智能、虚拟现实与增强现实、区块链、脑机接口等技术的发展，以新媒体、电商、社交等 简单信息交互为主的传统互联网经济将被重新定义，元宇宙形式的应用场景会越来越丰富和 深入，将为我们开辟虚实融合的生活、生产和生命空间。 同时，数据作为生产要素，也第一次被列入国家的要素市场建设纲要，成为重点关注 的七大生产要素之一，成为未来数字经济的基础生产资料。而数据要成为要素可交易和流 转，就必须解决权属和防篡改等问题，区块链是解决这一问题的一条有效的技术路径。 元宇宙应用会带来数据量成千上万倍增加，数据要素化会成百上千倍地增加算力需 求，而支撑巨量数据和算力需要大量的能量电力。目前我们的清洁能源产能有限，元宇 宙的发展可能受到碳中和目标的约束。但我也相信，如书中所言，随着绿色能源革命的推 进，通过IT技术自身的不断发展进步，单位能量将能处理更多的数据，且元宇宙的深度应 用，会降低很多产业的能耗，新的清洁能源技术还在不断涌现和放量，元宇宙一定能摆脱能 量的约束，迎来光辉灿烂的明天。 宏大主题，独特洞察，娓娓叙事，把复杂的问题简单化阐述，正是作者的风格和能 力。熊焰是我多年的朋友，于工作之余，笔耕不辍，令人佩服。 高文 中国工程院院士 鹏城实验室主任 北京大学信息与工程科学部主任、教授 2022年2月于深圳 序三 2020年9月以来，我国先后宣布了碳达峰、碳中和的目标愿景，并提出一系列国家自主 贡献目标及具体政策举措。这不仅是我国积极应对气候变化的国策，也是基于科学论证的国 家战略；是国内贯彻新发展理念、建设生态文明和对外构建人类命运共同体的融合点，也是 推动双循环、促进新发展格局的抓手。作为世界上最大的发展中国家，用全球历史上最短的 时间实现从碳达峰到碳中和，这需要中国做出艰苦卓绝的努力，也充分展现了中国在这个问 题上负责任大国的担当。 在实现“双碳”目标的长期路径上，数字经济需要与绿色经济互相促进、协同发力，成 为推动我国经济高质量、可持续发展的主要力量。碳中和作为划时代的变革，其中一个核 心技术必是战略制高点。而在一系列“连点成线”“连线成面”各种技术创新和场景数智化交 互作用下涌现的元宇宙，可以被看作是互联网时代各行业的一次重要的科技汇聚与升级。元 宇宙吸纳了信息革命（5G/6G）、互联网革命（Web 3.0）、人工智能革命，以及虚拟现实 （VR）、增强现实（AR）、混合现实（MR），特别是虚拟现实技术革命的成果，引导着信 息科学、量子科学、数学和生命科学的互动，为人类数字化转型提供了富有更多想象的路 径。元宇宙加速了部分产业数智化的升级，又将为碳达峰、碳中和“3060”目标带来怎样的数 字化力量，以及如何赋予生产效率和减碳效率的双重提升，是非常值得探索与研究的。 本书以元宇宙是碳中和最大工程和最强工具为独特视角，通过庖丁解牛般的叙事逻 辑，从不同视角向我们阐述了元宇宙与碳中和协同演进的力量，加速人类可持续发展的进 程。作者分别从元宇宙的三个世界、三条主线和六大技术去解构为什么元宇宙是最大的碳中 和工程和最强工具，结合具体的应用案例翔实地说明了高度数字化、智能化的元宇宙社会， 将从前端能源替代、中端节能减排、后端循环利用全方位为碳中和赋能。 数字技术的发展为“双碳”目标的实现，开辟了新的机遇和实现途径。利用数字技术构 建碳中和360度的行业拼图，利用数据要素的流通，打通能源全产业链各环节，最大范围内实 现协作共享，将更好地助推“双碳”目标的实现。元宇宙作为数字经济全新的经济形态，改变 了传统产业商业模式创新，以及从技术到硬件的迭代过程，元宇宙与碳中和作为数字经济发 展的两股主要力量，如何交相辉映呈现螺旋上升的力量，曲折发展，波浪前进实现21世纪的 伟大叙事，本书具有一定的借鉴意义。 中国工程院原副院长、院士 序四 在2020年之前的中国，几乎没有多少人听说过“碳中和”这个词。自从习主席在第75届 联合国大会上提出中国力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和目标之后，碳达 峰、碳中和在中国已经家喻户晓。 碳中和是指人类生产、生活活动产生和释放到大气中的二氧化碳量与地球自然过程中 （如海洋、土壤、植被、森林等）所能吸收或固化的二氧化碳的量，以及人类社会有目的的 应对气候变化所采取的各种工程措施等人为行为所能回收、固化和利用的二氧化碳量，三者 相加的算术和为零，即为碳中和。西方也经常称为净零排放。在这里强调对碳中和概念的共 识和认知，目的是让我们清楚，应该把主要精力和资源用在哪里。自然过程对二氧化碳等温 室气体固化的总量对一般国土面积有限的国家来说都不是很大。由此，各国应该把主要精力 放在尽量减少对温室气体的排放和全力开展温室气体回收、储存、固化和利用上。 习近平主席指出，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是党中央经过深 思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展，事关构建人类命运共同体。他还指 出，实现碳达峰、碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。这是我们提高对碳达 峰、碳中和重要性理解和认识的唯一遵循。我们只有站在这样的战略高度，把思想统一到党 中央的认识上来，才能真正认识和理解碳达峰、碳中和对未来中国的重要性、对未来世界的 重要意义以及对我们每一个人的重要意义，才能有行动上的主动性和自觉性。 实现碳达峰、碳中和是一个历史过程，既不可能一蹴而就，也不可以没有章法的顺其 自然。碳达峰、碳中和一定要建立在经济发展、新能源替代、传统能源转型以及人民群众和 社会的承受力基础之上的总体平衡。国家层面已经出台了总体目标下的发展规划和分阶段、 分领域的执行计划。每个地区、每个企业，机构、单位都要制定自己的发展目标指导下的时 间表、路线图和施工图。用发展目标指导发展规划的制定，用执行计划落实发展规划，用阶 段性（里程碑）目标保障执行计划，这样既可以防止“一刀切”和“运动式”减排，又能实现有 章有度、持续不断的努力和平稳有序的绿色低碳转型。 碳达峰、碳中和的路径选择。方向定了路径选择就至关重要。不同地区、不同行业、 不同企业都存在着实现碳达峰、碳中和的路径选择问题。大力发展绿色能源，加快传统化石 能源转型，加快产业结构调整，推动经济结构转型都涉及路径选择问题。 还有一个领域需要引起重视。这就是化石能源特别是煤炭在我国能源结构中占比大， 大幅度降低占比或大规模退出的时间可能要比我们想象的时间长很多。那么我们是否要延迟 碳达峰、碳中和的时间呢完全没有必要。这就需要在思路上改变，在路径选择上改变。化 石能源不是人类的敌人，二氧化碳等温室气体才是我们的麻烦。我们应该花更大的力气来应 对二氧化碳等温室气体，而不是简单地弃用化石能源。就是选择走大幅度提高能效和对二氧 化碳的回收、固化、贮藏和利用（CCUS）的路径。无论未来推动改变和实现既定目标的是哪 些技术，有一点是可以确定的，那就是所有这些技术都是建立在数字技术和智能技术基础上 的应用技术。 由于长期从事石油对外合作工作的关系，我比较早地介入了绿色能源转型的工作。以 前从未想到，碳中和居然可以和元宇宙挂上钩，直到看到由熊焰先生所著的元宇宙与碳中 和一书才使我眼前一亮且异常兴奋。眼前一亮是因为长期从事碳中和工作，突然出现了一 个陌生的、全新的碳中和概念相关的领域。异常兴奋不是因为我懂元宇宙，而是因为不懂而 好奇、而追其究竟。 刚刚兴起的元宇宙热，把很多想探究未来世界的人都圈进来了，我也是其中之一。由 于不懂，请教了众多业界人士其中不乏大咖，结果还是不懂。在业界人士中，无论是定义 上、概念上，还是技术及结构上基本上都说法不一，各有其理。对其未来前景，认为元宇宙 是一些企业的噱头，甚至是误人子弟的大有人在；认为可以创造未来新世界的亦大有人在。 总之，对元宇宙的看法和态度上表现为极性化。元宇宙与碳中和一书把元宇宙和碳中和 视为未来世界两大趋势，显然熊焰先生对元宇宙的看法是积极、正面、乐观和肯定的。 我所理解的元宇宙，就是通过数字技术包括AR、VR等技术把现实世界与虚拟世界融 到一起，相互转换、相互促进、相互强化。不断地用虚拟世界完善现实世界，不断地把虚拟 世界转化为现实世界。我们人类就是生活在现实世界与虚拟世界相混合的多维世界之中。首 先，我们所生活、所感知的现实世界只是全部真实世界的一小部分。其次，在我们所能感知 到的这一小部分真实世界之外，我们还有思想，还有灵感，还有意志，还有观念以及理性， 这些就存在于我们的虚拟世界中。在现实生活中，大到今天人们习以为常的火箭、卫星、太 空站以及空天领域的高科技武器，小到已经成为人们日常生活中离不开的电冰箱、洗衣机、 电视机、手机，在这些技术没有出现之前，它们就存在于我们那时的虚拟世界。同样，随着 虚拟和现实技术的不断进步，今天的虚拟世界中的很多事情就会变成明天的现实世界。列宁 曾经说过“世界不会满足人，人决心以自己的行动来改变世界”。所以人总是不满于现实 的，总是想把现实世界变为未来世界。这个未来世界就是我们今天心中的虚拟世界。人类所 有活动的目的，就是把今天心目中的虚拟世界转化为明天的现实世界。从这个角度看，元宇 宙与碳中和既是现实世界，又是未来世界、虚拟世界，它们是虚拟与现实世界的结合体。 元宇宙与碳中和一书，给我们另一个视角来看待未来世界，来理解元宇宙和碳中 和。未来的智能世界是建立在大算力基础之上的，其能耗是超出今天的想象的，这就构成了 与碳中和的一对矛盾。熊焰先生说“元宇宙全方位赋能碳中和，碳中和关键性支撑元宇 宙”。这就是元宇宙与碳中和一书的魅力所在。 傅成玉 碳中和国际研究院（苏州）创始人 长江商学院大型企业实践教授 序五 没有负熵，就没有元宇宙 兼论元宇宙与碳中和的共同目标 “宇宙的能量是恒定的。”“宇宙的熵趋向一个最大值。” 鲁道夫克劳修斯，1865 我非常高兴为熊焰、王彬、邢杰三位友人共同撰写的元宇宙与碳中和一书作序。 在这篇序言中，我不想过多介绍本书的思想和内容，而是希望为这本书缺失的方面做一些拾 遗补阙，主要集中在“元宇宙”“碳中和”与“熵”的关系。因为元宇宙与碳中和都无法绕过熵，而 熵是衡量元宇宙是否生长真正价值的基本尺度单位。元宇宙的本质是一种特定的信息集合状 态，但是，这并不意味着元宇宙可以脱离物理状态的宇宙。不论是从理论意义和实践意义上 说，元宇宙和物理宇宙存在着不可分割的关系。人类历史已经进入了极为激动人心的时刻 一方面，物理宇宙需要虚拟元宇宙的诞生；另一方面，虚拟元宇宙需要物理宇宙作为其基 础。虚拟元宇宙和物理宇宙开始了互动和共存的历史进程。 （一） 在物理宇宙中，存在相当可观数量的定律。但是，按照爱因斯坦的看法熵定律是科 学定律之最“熵理论对于整个科学来说是第一法则”。为什么因为早在1850年，基于早 期的热力学第二定理，英国数学物理学家，被称为热力学之父的威廉汤姆森（William Thomson，18241907）就推导出宇宙终极命运的热寂（heat death of the universe）猜想。根 据这个猜想，如果宇宙的熵达到极大值，宇宙其他有效能量都转化为热能，物质温度进入热 平衡，宇宙中的任何生命能量将不复存。 还有，熵理论也是斯蒂芬霍金的科学体系和理论宇宙学中的基石。霍金提出了黑洞面 积定律（Hawking’s area theorem）黑洞事件视界的面积不可能随着时间的推移而减少。黑 洞所包含的熵更是直接被证明与黑洞事件视界的面积，也就是黑洞表面积成正比。因为这个 定律与由热力学第二定律导出的熵增原理非常相似，肯定孤立系统自发进行的演化只能让系 统的熵增加，该定律后来被称为“黑洞热力学第二定律”。[1]总之，在宇宙的尺度下，热力学 第二定律不可改变，只是改变了存在方式。黑洞会将其吸入的物质转化为能量，以辐射形式 释放出来，从而导致物质无序化。黑洞本身也会因为这种辐射而损失质量，所以，宇宙中的 熵是永增不减。[2] 最近，意大利国际高等研究院（SISSA）等机构的科学家在最新一期天体物理学杂 志上撰文称，首次对恒星级黑洞的数量进行统计，计算出了其在整个宇宙中的分布情况， 并据此计算出目前可观测宇宙中黑洞的数量约为4000亿亿个。[3]如果黑洞和熵增并存，熵在 宇宙中至关重要，进而宇宙“热寂”的假说至少是难以否定的。 总之，熵定律关乎地球和人类生命的生死存亡的终极问题。理所当然，熵定律，是物 理学，乃至科学定律体系中的核心定律。因为虚拟元宇宙与物理宇宙的关系，避免熵增乃是 元宇宙存在的前提所在。 （二） 现在，从宇宙回到地球。1906年，奥地利物理学家路德维希玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann，18441906），在度假期间自杀身亡，时年62岁。他在一生的大部分时间 中，都在为自己的理论辩护，造成导致他自杀的严重抑郁症。玻尔兹曼的理论就是把物理体 系的熵和概率联系起来，证明任何的自发过程，都是从概率小的状态向概率大的状态变化， 从有序向无序变化。所以，熵增是不可避免的和不可逆转的。1877年，玻尔兹曼推导出熵与 状态概率之间的数学关系S＝logW，构建了统计力学和热力学之间的桥梁。玻尔兹曼的贡献是 不可替代的。所以，作为对玻尔兹曼的致敬，他的墓碑上刻有他著名的熵公式。在这个公式 的背后，还有玻尔兹曼以音乐和艺术的天赋对熵的感知。熵并非仅仅是一种热力学现象。二 十多年之后的1900年，马克斯普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，18581947）对玻尔 兹曼的熵公式做了修正。 当然，熵理论的开拓者应该归于德国物理学家和数学家，热力学奠基人之一的鲁道夫 克劳修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius，18221888）。1850年，克劳修斯发表论热的 动力以及由此推出的关于热学本身的诸定律的论文。克劳修斯在这篇论文的第二部分，提 出热力学第二定律的核心思想热不能自发地从较冷的物体传到较热的物体。因此，克劳修 斯成为热力学第二定律的两个主要奠基人之一，而另外一位是上文提到的英国物理学家开尔 文勋爵。1868年，克劳修斯在出了热力学第二定律的基础上，系统提出了熵理论。在孤立系 统自发状况下，一是，热能传递具有不可逆的方向性，只能从较热的物体传递到较冷的物 体；二是，具有传递性，热能传递不能从单一热源吸取能量；三是，熵值是随时间向增大的 方向变化，孤立系统在自发状态下熵总向增大的方向变化，不会减少。熵理论不仅符合热力 学宏观理论，在微观层次也具有同样的意义。 如果比较克劳修斯和玻尔兹曼对熵理论的贡献，克劳修斯是基于热力学原理对熵加以 定义在热力学过程中，有用能转化为无用能的不可逆程度的一种量度；玻尔兹曼是基于统 计学定义熵，即分子随机热运动状态的概率分布大小的量度，或者是物质系统内部分子热运 动和状态的混乱无序度。 总之，基于热力学的熵增律告诉人们，在一个封闭系统中，热量总是从高温度的物体 流向低温物体，从有序化到无序，如果没有外界向这一系统输入能量，那么熵增过程就是不 可逆的，而系统陷入混沌无序后，最终的最大熵导致物理学的热寂。所以，在很多人看来， 熵定律是令人绝望的物理定律。 自18世纪的工业革命以降，工业经济时代到来，形成了门类齐全的工业行业和部门。 人类通过大机器开发自然资源，形成包括煤炭、石油和天然气为整体的化石能源体系，制造 出持续不断的物质产品和物质财富。也因此，导致了熵的膨胀，集中体现为碳排放，全球在 加速变暖。2019年，为有卫星观测记录以来的最高值。2020年，尽管发生疫情，全球气温比 工业化前上升了1.2摄氏度。如此下去，冰川融化，干旱和沙漠化面积扩张，极端天气常态 化，农业难以为继，人类生存危机深化。所有这样的现象，都证明了地球的“熵”增的态势。 人类如何面对不可逆转的熵增的大趋势1944年，量子力学奠基人薛定锷在生命是 什么中提出和阐述了负熵概念在自然界中，所有事情的发生都是所在的那个局部世界的 熵在增加，并开始走向最大值熵。如果说存在解决办法，就是从自然环境中汲取抵消熵增的 负熵。自然界的水分、空气和阳光都属于所谓“负熵”，生物依赖负熵为生。“新陈代谢的本质 乃是使有机体成功地消除了当它自身活着的时候不得不产生的全部的熵。”[4] 在这样的背景下，实现“碳中和”成为世界各国的根本性选择。在2020年9月22日，在第 75届联合国大会一般性辩论上，作为最大排碳国的中国承诺在2030年前达到碳排放峰值，争 取2060年前实现碳中和。 （三） 长期以来，有一种说法很具有影响力自然界和人类活动决定于三个要素，即物质、 能量、信息。但是，物质、能量和信息的关系究竟如何如果假定信息实际上是物质与能量 的运动状态与方式，那么，是否存在信息和熵的内在联系 1929年，德国物理学家利奥西拉德（Leo Szilard，18981964）在该国的物理学期 刊上发表精灵的干预使热力学系统的熵减少论文。人们公认，西拉德首次提出经典热 力学中从未出现过的概念和术语“负熵”，并开创性地阐述了熵、负熵与信息之间的关系， 将熵的对象从分子热运动，扩展到了非分子热运动。在这篇论文中，西拉德将热力学的熵称 作约束信息，将信息熵称作自由信息，信息熵和热力学熵既存在相关性，又存在差异。西拉 德最主要的贡献是定义了信息熵，即信息熵所表达的是物质和社会系统状态和运动的确定 性。西拉德进而提出计算信息量的公式I＝-k（w1lnw1＋w2lnw2）。式中I是信息、w是热 力学概率。西拉德的工作是现代信息论的先导，但令人遗憾的是，西拉德这篇开创性的论文 当时也没有被人们充分理解，而他本人也没有沿着这条道路继续探索下去。值得赞赏的是， 西拉德曾参与美国曼哈顿计划，却倡导和平利用核能和反对使用核武器。 西拉德的思想得到重新的认识，已经是第二次世界大战之后的事。首先，美国数学家 和控制论创始人诺伯特维纳（Norbert Wiener，18941964）在1948年的控制论著作中， 给予信息的著名定义“信息就是信息，既非物质，也非能量。”几乎是同时，香农 （C.E.Shannon，19162001）创立了信息论，他在题为通讯的数学理论的论文中提出 “信息是用来消除随机不确定性的东西”。香农的信息论的核心思想是不确定性的计算与信 息出现的概率有关。香农的信息量的计算公式与玻尔兹曼的物理熵公式以及西拉德的信息量 计算公式都极为相似H（xi）＝-P（xi）log P（xi）。据说，是冯诺依曼（John von Neumann，19031957）根据西拉德的“物理熵减少同获得的信息联系”的结论，向香农推荐 将这个公式命名为信息熵。 香农的信息熵，被定义为信息log（xi）的期望值，或者将信息熵理解成特定信息的出 现概率。简单地说，信息熵是衡量一个系统有序化程度的指标，对信息作用的度量。具体解 释信息量是随着发生的概率的增大而减少的，而且不能为负。一个事件发生的概率越大， 确定性越大，系统变得有序，混乱度降低，所需的信息量就越小，信息熵的绝对值就越小； 换一种说法，当一件事发生的概率为1，它的信息量为0，信息熵就为0，可以实现熵减的效 果。反之，越是小概率事件，不确定性越大，混乱程度越大，所需的信息量就越大，其信息 熵的绝对值也大。所以，可以达到逆香农定义“信息是确定性的增加，即肯定性的确认”。 总之，香农所提出“信息熵”，是与基于热力学第二定理的熵的不同的熵。于是，世界 上同时存在“信息熵”和热力学熵，或者物理学熵。一方面，这两类不同的熵，形成于不同的 理论体系，具有不同的定义、研究对象和应用场景。但是，还有另外一方面，因为信息熵概 念的出现，不仅扩展了熵概念的含义，解决了信息的定量描述问题，而且为熵概念的进一步 泛化奠定了基础。“在包括生命科学在内的自然科学乃至社会科学的各个领域，存在着大量的 不同层次、不同类别的随机事件的集合，每一种随机事件的集合都具有相应的不确定性或无 序度，所有这些不确定性和无序度都可以用信息熵这个统一的概念来描述，因此信息熵又被 称为泛熵或广义熵，用于度量任一物质运动方式的不确定性或无序度。”[5] 因为工业社会向信息社会全方位转型，信息在人类生存、生活和生产中的重要性不断 提高。因为信息需要大数据作为载体，大数据呈现指数增长模式，各种小概率事件，各类所 谓的黑天鹅事件的发生常态化，导致不确定性加大，系统失序，混乱和风险度提高，造成日 趋严重的信息熵增大。于是，熵增与焦虑成为所谓数字化时代的重要特征。 （四） 在今天的世界，主要发达国家和新兴市场经济国家已经彻底超越了同时存在传统部门 和现代部门的“二元经济”，以及与之不可分割的所谓“城乡二元结构”。[6] 但是，这些经济体在未来相当长的时间中，却会处于“新二元经济”，或者“新二元社会 结构”中，即实体经济数字化经济并存的“二元经济”，实体社会和信息社会并存的“二元社会 结构”。因为这样的“新二元经济”和“新二元社会结构”，不仅会同时导致热力学熵和信息熵的 并存，而且两类熵会交互作用。 图序1 热力学熵和信息熵关系 相较于物理世界和热力学熵，信息经济和信息社会的信息熵更为复杂。所以，美国物 理学家艾德温詹尼斯（Edwin Thompson Jaynes，19221998）在1957年提出了最大信息熵原 理（Principle of Maximum Entropy），并认为热力学熵可以视为香农信息熵的一个应用。 这是因为，“信息并不只是我们对于这个世界的了解，它或许正是构成这个世界的东 西”。[7]“宇宙当中信息无处不在，随着空间的延展而增加，随着时间的变化而变化。人类无 法知晓基本粒子内部的结构信息，也无法探究150亿光年之外宇宙的边界，人类所能够感知的 信息只是几乎无穷无尽但依然在不停增长的所有客观信息当中的一个微不足道的子集”。[8]需 要强调的是，信息的本体大数据时代信息熵有效衡量了大数据的真正价值，大数据本身还只 是混乱无序的数据，还不等于有效信息。信息源于物质与能量各种属性的差异性。如果假设 宇宙中的物质与能量不存在差异性，此处与别处相同，此时与彼时相同，那么不论从任何角 度来衡量任何事件的概率也只有1，根据信息熵的定义，信息量为0。问题是，物质与能量在 时间与空间上存在差异性几乎是绝对的。“此处与别处的差异，此时与彼时的差异才能呈现出 不同的事件概率来，信息量才不会为0。因此我们不难得出结论，‘信息就是差异’。”[9] 因此，信息熵具有负熵特性是有条件的。在真实的信息社会，作为信息熵的负熵特性 就会被干扰和改变，导致信息负熵不是增加，而是减少，从而致使信息系统的混乱，并传导 到物理系统，增加热力学熵。1961年，美国物理学家罗尔夫朗道尔（Rolf Landauer，1927 1999）提出了Landauer原则任何抽象信息都必须有物理载体，对信息的操作就意味着对物 理载体的操作，而对信息的处理有些是逻辑不可逆的，因此也就会伴随着热力学上的不可 逆。[10]见图序2。[11] 人类要在应对物理世界热力学熵的同时，还要面临称之为信息增熵的积聚压力。当热 力学熵和信息增熵的交叉和叠加，将会导致物理形态的现实世界和信息形态的虚拟世界陷入 失序，触发内卷化的社会熵增，引发生态、经济、社会和政治的全方位危机。尼尔史蒂芬森 （Neal Stephenson）的小说雪崩所描绘的那种美国社会公司化和政府瓦解的极端状态，属 于社会熵增到达极限的后果。也是这本雪崩提出了“元宇宙”概念。 图序2 （五） 2021年，元宇宙思想、概念、技术和试验席卷全球。将元宇宙与碳中和结合的构想值 得肯定。因为，在元宇宙的早期阶段，就需要充分考虑第一，如何避免热力学熵的侵入和 侵蚀；第二，如何避免信息熵增的积累；第三，如何避免热力学熵和信息熵增的融合。 那么，元宇宙如何避免上述的“双熵增”那就是引入和实践“耗散结构”（dissipative structure）理论，将元宇宙设想和设计为耗散结构系统。 耗散结构理论的提出者比利时科学家普里高津（Ilya Prigogine，19172003），代表 作是结构、耗散和生命一文，发表的时间和地点是1969年的“理论物理与生物学会议”。 普里高津因为提出了耗散结构理论而获得1977年诺贝尔化学奖。根据耗散结构理论，任何系 统都可能从无序性转变为有序状态的“耗散结构”，其必要前提条件，包括第一，该系统需 要开放，通过与外界交换物质和能量以获取负熵，达到熵减效果；第二，该系统必须远离平 衡态，唯有系统内的物质运动处于不均匀、非线性的情况，可以实现与外部能量交换时的突 变；第三，该系统的内部元素之间，具有非线性自组织结构关系，支持与外部能量交换时， 形成的内部协同作用。 以上“耗散结构”的前提条件，其实就是“耗散结构”的底层逻辑。其核心目标是通过开 放系统与外界的能量和物质交换，刺激负熵的产生，进而因为熵减而形成有序结构。深刻理 解负熵概念，就需要理解英国物理学家、数学家詹姆斯麦克斯韦（James Clerk Maxwell， 18311879）所提出的“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon）。因为“麦克斯韦妖”其实是耗散结 构的一个雏形将一个绝热容器分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中 的空气分子在作无规则热运动时形成对门的撞击，而“门”可以选择性的将速度较快的分子放 入一格，而较慢的分子放入另一格。这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此 温差，驱动热机做功。这就是所谓的第二类永动机。 显然，“麦克斯韦妖”存在了悖论。但是，如果将“麦克斯韦妖”引入信息系统，问题可 能发生改观。1982年，美国物理学家查尔斯班尼特（Charles Bennett）提出可以将“麦克斯 韦妖”理解为一个信息处理器它可以主导单个粒子的信息的记录、存储和删除，并决定何 时开门和关门。[12] 图序3 麦克斯韦妖设想示意图 进入21世纪，无论科学家关于麦克斯韦妖系统的试验是否有实质突破，都要想象元宇 宙需要“麦克斯韦妖”。约翰惠勒的名言是“万物源于比特”（It from bit）。基于比特的元宇 宙，需要元宇宙维系其系统开放，远离平衡态，形成自组织结构和协调机制。 （六） 我非常高兴是这本元宇宙与碳中和中主要章节的最早读者。作者在前言写道元 宇宙火爆，但真面目若隐若现，就像天上的一朵云；碳中和是国家战略，各级政府和大企业 都有很大的压力，实实在在就像一座山。当我们深入探究时，发现了两者之间愈加紧密的联 系有了山的支撑，这朵云才能接地气，增加厚重感，而因为云的存在，这座山才显示了高 度，增加了想象空间。在这个“想象空间”中，最重要的就是应对和破解第一，物理世界的 生死劫不可逆转的熵增长；第二，信息世界的永恒难题熵增和熵减的均衡；第三，打破 热力学熵增和信息熵增的实现双熵增的结合。 只有这样，本书第七章所提出的“元宇宙与碳中和的高阶平衡”方可得以实现，创建“高 绿色能源元宇宙”，实现联合国多年来所主张的“可持续发展”战略，推动人类接近薛定谔在 生命是什么中提出的人类目标“人活着就是在对抗熵增定律，生命以负熵为生”。 本文最后需要指出，元宇宙还是一种文化的共识形成的动态过程。元宇宙最终不可避 免具有社会属性，与特定民族、社会组织，以及特定的价值观结合。注重“天人合一”和谐理 念的中国文化，存在与生俱来的元宇宙基因。所以，中国更有机会实现元宇宙与碳中和的“一 体化”。因为这样的“一体化”，有效地抑制熵增，对于人类命运共同体的乐观态度就有了坚实 的基础。 朱嘉明 2022年2月8日至9日 于杭州 [1] 环球科学.霍金50年前提出的黑洞理论，终于被验证[J].环球科学，2021-07-05. [2] 黑洞是熵增还是熵减少，https//www.zhihu.com/question/381247142 [3] 科普中国.元宇宙究竟有多少黑洞终于有答案了[J].科普中国，2021-01-23. [4] 薛定谔.生命是什么[M].北京北京大学出版社，2018. [5] 苑娟，等.熵理论及其应用[J].中国西部科技，2011，10（5）. [6] 美国经济学家威廉阿瑟刘易斯在1954年发表的劳动无限供给下的经济发展中提 出了发展经济学模型“二元经济模型”（Dual Sector model），并因此成为1979年诺贝尔经济学 奖获得者。 [7] 约翰.惠勒.约翰惠勒自传京子、黑洞和量子泡沫[M].长沙湖南科学技术出版社， 2018. [8] 赵锴信息与社会熵。 [9] 赵锴信息与社会熵。 [10] 量子.克斯韦妖再现江湖，熵减成真曾纠缠物理学家一百多年2021-4-24， https//zhuanlan.zhihu.com/p/367437767utm_medium＝socialutm_oi. [11] 朱嘉明.未来决定现在[M].太原山西人民出版社，2020. [12] 量子位.克斯韦妖再现江湖，熵减成真曾纠缠物理学家一百多年，2021-4- 24.https//zhuanlan.zhihu.com/p/367437767utm_medium＝socialutm_oi 前言 2021年，如果在产业界、投资界、科技界选两件最火的事，大概非元宇宙与碳中和莫 属。 元宇宙火爆，但真面目若隐若现，就像天上的一朵云；碳中和是国家战略，各级政府 和大企业都有很大的压力，实实在在就像一座山。当我们深入探究时，发现了两者之间愈加 紧密的联系有了山的支撑，这朵云才能接地气，增加厚重感；而因为云的存在，这座山才 显示了高度，增加了想象空间。 一 元宇宙是什么 元宇宙是游戏、AR/VR/MR（增强现实/虚拟现实/混合现实）、3D互联网是技术、 技术的集成、新兴产业、下一代互联网还是下一代人类社会、人类文明，甚至人类的新纪 元 2021年可谓元宇宙元年，在如此早期的阶段想要给元宇宙下一个精准的定义有一定困 难。本书尝试简明扼要地提炼出元宇宙的定义和结构。 而元宇宙与数字经济又是什么关系呢 狭义的元宇宙通常是指3D化的互联网，所以狭义的元宇宙概念是小于数字经济的。广 义的元宇宙则是指虚实融合的人类社会新形态，这个概念就远大于数字经济了，对人类社会 变革范围之广、程度之深、质变之剧烈，甚至超过农业社会到工业社会到信息社会的变化。 Web 3.0是下一代互联网，数字经济是下一代新经济，元宇宙是虚实融合的下一代人类 社会、人类文明、人类纪元。 面对广义元宇宙如此宏大的概念和体系，为了便于读者能够简明扼要地把握元宇宙的 精髓，我们提炼出“13346”这样一个精炼性的元宇宙认知框架，通俗易懂，便于记忆。 1一句话的元宇宙定义。 3元宇宙的三个世界。 3元宇宙发展的三条主线。 4元宇宙应用的四大领域。 6元宇宙的六大技术支柱。 （一）元宇宙的定义与元宇宙的三个世界 用一句话定义元宇宙元宇宙是人类数字化、智能化高度发展下虚实融合的社会新形 态。 由此可知，元宇宙是社会新形态，不只是技术、产业和下一代互联网。这个社会新形 态是数字化、智能化高度发展的必然结果，其特征是虚实融合。 也就是说，碳中和必然是数字化、智能化高度发展下元宇宙社会的