编者按：本文来自微信大众号“把科学带回家”（ID:steamforkids），作者：Mirror，36氪经授权发布。
在今日这个信息爆破的年代，咱们每天都在制作巨大的数据量（2.5×1016字节），绝大多数信息都被忘记在了激流之中，转瞬即逝，但也有不少信息，咱们咱们都期望能一向保存下去，留给一代又一代后人。
这样一个国际上有各式各样的信息载体，从远古的岩画、传统的纸张书本，到近代创造的磁带、胶卷，再到现代的光盘、硬盘、U盘。信息贮存的载体渐渐的变轻盈，容量还渐渐的变大，并且能贮存的数据也更多样化。但咱们真的能放心肠把材料都交给它们吗？在答复这样的一个问题之前，咱们先让了解一下这些存储设备是怎么记载信息的。
把图书馆装进火柴盒
现在的咱们能把曾经需求一个图书馆才干记载下的信息，悉数装进一个不到巴掌大的硬盘中。
这一切首先要归功于二进制的信息编码方法，无论是文字、图画仍是声响，都可以用0和1来编码，尽管只需两种数字，但只需不约束位数就能有无限种组合方法，重要的是，这样简略的言语能让“肚子里没墨水”的机器轻松读懂。接下来就要考虑用什么来代表0和1。
电子设备是经过电流改动来辨认信息的，而电场的改动会发生磁场，反之亦然，并且方向可控。运用这种电磁感应现象，咱们就可以改动磁性载体组成单元（磁畴）的磁极取向，相应地界说为0和1。
磁化信息原理示意图 | 图源：TED-Ed
磁带和机械硬盘便是运用无数个细小的“磁铁”来编码信息的。磁化和去磁化的进程是可逆的，因而这类磁存储载体既可以重复读写。
机械硬盘（左）与固态硬盘内部结构（右）
读取更快的固态硬盘则与机械硬盘不同，是经过载体的每个单元是不是真的存在电子来界说0和1的。U盘等存取快速的闪存设备也是根据此原理。
还有咱们了解的光盘，望文生义，是运用载体的光学特性来记载信息的——反射光的区域界说为1，不反射则界说为0。
CD（左）和DVD（右）的微观结构，后者的信息密度更大 | 图源：大英百科全书
光盘亮晶晶的那面涂的是一层反光材料，刻录信息时，激光会烧掉部分单元格上的反光材料，显露底下的吸光材料，这些不反射光的区域便是“0”地点的方位。烧掉的部分一般是不可逆的，这便是为什么许多光盘只能一次性记载信息，而无法重复读写（也有可重复擦写的光盘，如CD-RW）。
还能更小？
了解了上述信息存储原理，你就会发现缩小这些信息载体巨细的关键在于怎么缩小编码0或1，即1字节的根本单元。
1951年的磁带机（左）和现在的SD卡（右）| 图源：TEDx
现在你拿在手中轻小的磁带，在1951年仍是台比洗衣机还粗笨的磁带机，其间的金属磁带每厘米只能贮存50字节信息，1吨重的机身仅编码了一首MP3歌曲。相比之下，现在一个指甲盖巨细的SD卡都能贮存上百GB的信息，可彻底当一个移动小影院。
但科学家并不会停步于此，试验室中的信息存储单元巨细简直现已迫临极限——单原子水平。
2016年，荷兰科学家以单个氯原子为根本单元来编码数据（有氯原子的方位是“1”，没有是“0”），成功贮存了1KB数据。运用这项技能，理论上，可在一枚邮票巨细的面积上贮存60TB数据。
纳米标准的硬盘上用氯原子编码了物理学家理查德·费曼讲演中的一段话 | 图源：
F. E.Kalff, et al.(2016)
2018年，科学家又做到了经过改动单个钴原子的磁性（改动绕核电子的运动方法），来编码数据。这将使硬盘的体积缩小到现在的千分之一，乃至更多。
在扫描隧道显微镜下用探针处理单个原子的模拟图
但是像这样存储信息，你需求用扫描隧道显微镜在超真空和超低温环境下作业，门槛明显高得不切实际。
把信息贮存载体变小，咱们已做到适当极致了，但在另一方面——信息保存期限上，这些高科技设备乃至还不如传统信息存储载体。一般机械硬盘运用3~5年就可能损坏，光盘可以保存10~25年，闪存设备包含U盘和固态硬盘则会跟着读写次数的添加，渐渐患上“失忆症”。
看似过期的磁带仍然在数据备份中扮演重要人物
而看似被年代扔掉的磁带在抱负条件下却能保存30~50年，因而像谷歌这样引领科技前沿的巨子仍然会运用磁带备份重要数据。书本中简简略单的白纸黑字更是可以传递数个代代，只需保存稳当，500年后仍然能完好无缺。
但纸这样的载体究竟仍是软弱，一场火灾就会灰飞烟灭。并且还占当地，谁不想把沉甸甸的书包换成一个轻盈的pad？
难道说，载体的信息存储容量和信息保存期限真就无法兼得吗？
倒也不是，近年来科学家们在这方面现已取得了一些开展，只不过还没完善，下面这两种方法或许能成为保存人类文明的期望。
5D光盘翻开新维度
2013年，英国南安普顿大学的科学家用飞秒激光在玻璃盘的3维空间结构中打出一系列极小的点，将300KB的信息贮存在其间。现在他们现已把这种玻璃盘的信息存储才能提高到了300TB！
刻录下书本的5D光盘需求在显微镜下阅览
已然5D光盘和一般光盘相同，都是用激光来刻录数据，那它又有什么特别之处？一般光盘记载信息仅仅“流于外表”，即只需二维水平，而这个“5D光盘”听起来尽管和“5D电影”相同有噱头之嫌，但至少它确实能在立体空间维度（3D）记载信息。
剩余两个维度，一个指的是调查的视点，另一个是显微镜的扩大率。在5D光盘中，从纳米级其他微观水平到直观肉眼可见的微观水平都记载了信息，调查者经过不同视点和不同扩大倍数，可以从中读取出不同信息。
5D光盘的多维信息处理
但5D光盘更可贵之处在于它的耐久性，石英玻璃原料和外表的聚合物保护层使它对化学和物理损伤都具有很强的防御力。研究者根据试验成果以为，它在室温下的保存时刻简直是无限的，即便是在189 °C的高温环境中，也能活到世界现在的年纪（138亿年）！
2018年，5D光盘被用于人类数据备份方案（Arch Mission Foundation） | 图源：archmission
现在，微软、日立等大公司还在致力于开展这项技能。未来，5D光盘或许能像当年旅行者号金唱片相同，承载着人类的文明，飞向世界。
活着的移动硬盘
其实论存储信息的身手，任何载体都不及构成咱们的细胞，更精确地说是细胞核中的DNA。尽管生物个领会逝去，遗领会被分化，但DNA中的基因却经过仿制重组，一代又一代地流传下去。从冰封的远古遗体，抑或是现代生物的DNA中，咱们仍然能解分出史前先人的某些特征。
DNA的信息存储才能也毫不逊色——在肉眼彻底看不到的细胞核中，带有A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）四种不同碱基的脱氧核苷酸，以不同的次序排成DNA长链，编码了一个生物体的终身。
以人体基因组为例，其间含有超越30亿个碱基对，这一切都保存在直径仅几微米的细胞核中。假如将这些A、T、C、G以正常字体巨细写在A4纸上，耗费的A4纸垒起的高度适当于40层楼高！
从这些层面看，大自然或许早已为咱们预备好了最佳信息存储载体。科学家们从中取得启迪，测验自动在DNA中编写信息。他们将A、T、C、G碱基以二进制编码，然后将数字化的文字信息翻译成碱基序列，再组成DNA序列，就完成了数字信息与生物信息之间转化。只需测个序，就能解读出其间的信息。
用二进制编码碱基| 图源：TED-Ed
但暴露的DNA仍然适当软弱，所以研究者给它们穿上了二氧化硅外壳，制成人工化石，以到达长时间保存的意图。他们让这个人工化石在70℃的高温中保存了一周，再读取信息，成果仍然完好无缺。
不仅是文字，科学家现已成功地将电影编码进人工组成的DNA，并且理论上可以将人类有史以来拍照的一切电影全都塞进一个小小的DNA人工化石中。
但是，这样保存DNA并没有彻底体现出它的优势——可遗传性。
尽管咱们也能经过PCR技能人工仿制数以万计的DNA，但手动备份必定不如自动备份及时省劲，并且细菌等微生物的繁衍分散速度惊人，子子孙孙无穷尽也，即便呈现DNA骤变，科学家也能用算法纠正信息。
实际上，哈佛大学的科学家在2017年已成功运用CRISPR-cas9基因修改技能将一部短片编码到了大肠杆菌的基因组中，制作出了“细菌硬盘”，并且还能将信息遗传给下一代。
原始画面和从细菌DNA中解分出的画面 | 图源：Shipman, S. L. et al. (2017)
即便有一天地球变得不再适合人类生计，这些承载了人类文明的微生物还能以休眠状况熬过极点环境，乃至进入太空，告知这个世界——人类曾无比灿烂地存在过。
假如给你一个能永久保存信息的硬盘，你想在里面保存什么？
当然是学习材料！（正派脸）
