Цифрова фізика

Цифрова фізика, в фізиці та космології, - сукупність теоретичних поглядів, що випливають з припущення, що Всесвіт по суті описується інформацією і, отже, є обчислюваною. З даних припущень випливає те, що Всесвіт може розумітися як результат роботи деякої комп'ютерної програми або як якийсь вид цифрового обчислювального пристрою (або, принаймні, пристрої, математично ізоморфного такому пристрою).

Цифрова фізика заснована на одній або декількох нижченаведених гіпотезах (перерахованих в порядку зростання ступеня сміливості припущень). Всесвіт, або реальність :


1. Історія

Очевидно, що кожен комп'ютер має бути сумісним з принципами теорії інформації, статистичної термодинаміки і квантової механіки. Фундаментальна зв'язок між цими областями була запропонована Едвіном Джейнс в двох роботах зі статистичної механіки [1] [2]. Крім того, Джейнс ретельно пропрацював інтерпретацію теорії ймовірностей як узагальнення арістотелівської логіки, виглядаючу добре підходить для того, щоб зв'язати фундаментальну фізику і цифрові комп'ютери, так як вони розроблені для виконання операцій класичної логіки і, еквівалентно - алгебри логіки [3].

Гіпотеза про те, що Всесвіт є цифровим комп'ютером, вперше була висунута Конрадом Цузе в книзі Rechnender Raum ("Обчислювальне простір", перекладена на англійську мову як Calculating Space). Термін "цифрова фізика" використовувався Едвардом Фредкіном, який потім віддав перевагу термін "цифрова філософія" [4]. Серед тих, хто розглядав Всесвіт як гігантський комп'ютер знаходяться Стівен Вольфрам [5] [6], Юрген Шмідхубер [7] і нобелівський лауреат Герард 'т Хоофт [8]. Ці автори вважали, що безсумнівно імовірнісна природа квантової фізики не обов'язково є несумісною з ідеєю вичіслімості. Квантова версія цифровий фізики недавно була запропонована Сетом Ллойдом [9], Девідом Дойчем і Паола Ціцці [10].

Схожими ідеями є теорія протоальтернатів Карла Фрідріха фон Вайцзеккера, панкомпьютаціоналізм, обчислювальна теорія Всесвіту, теорія "речовини з інформації" ("it from bit") Джона Уїлера та гіпотеза математичної Всесвіту ("Кінцевий ансамбль") Макс Тегмарк.


2. Цифрова фізика

2.1. Огляд

Цифрова фізика припускає, що існує - принаймні, в принципі - програма, яка обчислює в реальному часі еволюцію Всесвіту. Цей комп'ютер може бути, наприклад, гігантським клітинним автоматом (Цузе, 1967) або універсальною машиною Тьюрінга, як припустив Шмідхубер (1997). Вони звертали увагу на те, що існує дуже коротка програма, яка може обчислити всі можливі вичіслімості Всесвіти асимптотично оптимальним шляхом.

Були спроби ототожнити одиничні фізичні частинки з битами. Наприклад, якщо елементарна частинка, така як електрон, переходить з одного квантового стану в інший, то це може розглядатися як зміна значення біта, наприклад, з 0 на 1. Одиничного біта достатньо для опису одиничного квантового переходу даної частинки. Оскільки Всесвіт здається що складається з елементарних частинок, поведінка яких може бути повністю описане їх квантовими переходами, то мається на увазі, що вона може бути повністю описана за допомогою біт інформації. Кожне стан інформаційно і кожна зміна стану є зміною інформації (вимагає маніпуляції одним або декількома бітами). Не беручи до уваги темну матерію і темну енергію, які на даний момент погано зрозумілі, відома Всесвіт складається з приблизно 10 80 протонів і приблизно такого ж числа електронів. Звідси випливає, що Всесвіт може бути просімулірована на комп'ютері, здатному зберігати і маніпулювати 10 90 бітами. Якщо така симуляція в дійсності має місце, то сверхтьюрінговие обчислення є неможливими.

Петльова квантова гравітація підтримує цифрову фізику в тому, що вона вважає простір-час квантуемим. Паола Ціцці сформулювала осмислення цієї ідеї в тому, що називається "обчислювальна петльова квантова гравітація", або ВПКГ ("computational loop quantum gravity", CLQG) [11] [12]. Інші теорії, які об'єднували аспекти цифровий фізики з петлевий квантової гравітацією, були висунуті Анналіза Марцуіолі і Маріо Разетті [13] [14] і Флоріаном Джіреллі і Етері Лівіньо [15].


2.2. Протоальтернатіви Вайцзеккера

Теорія протоальтернатів фізика Карла Фрідріха фон Вайцзеккера вперше була представлена ​​в книзі Einheit der Natur ("Єдність природи"; 1971) (перекладена на англійську в 1980 році як The Unity of Nature) і в подальшому розроблялася в книзі Zeit und Wissen ("Час і пізнання "; 1992). Ця теорія є різновидом цифровий фізики, так як аксіоматично передбачає, що квантовий світ складається з різниці між емпірично спостережуваними, двійковими альтернативами. Вайцзеккер використовував свою теорію для встановлення тривимірності простору і для оцінки ентропії падаючого в чорну діру протона.


2.3. Панкомпьютеціоналізм, або Теорія обчислюваною Всесвіту

Панкомпьютеціоналізм (також "пан-компьютеціоналізм", "природний компьютеціоналізм") - це погляд на Всесвіт як на велику обчислювальну машину або, скоріше, мережу обчислювальних процесів, яка обчислює наступний стан фундаментальних фізичних законів (динамічно розвиває) з поточного стану [16].

2.4. "Все з біта" ("it from bit") Уїлера

Слідом за Джейнс і Вайцзеккер фізик Джон Арчібальд Уїлер писав:

Не є нерозумним уявити, що інформація знаходиться в ядрі фізики так само, як в ядрі комп'ютера.

Все з біта ("it from bit"). Іншими словами, все суще - кожна частка, кожне силове поле, навіть сам просторово-часовий континуум - отримує свою функцію, свій сенс і, в кінцевому рахунку, саме своє існування - навіть якщо в якихось ситуаціях не безпосередньо - з відповідей, витягуваних нами за допомогою фізичних приладів, на питання, які передбачають відповідь "так" або "ні", з бінарних альтернатив, з бітів. "Все з біта" ("it from bit") символізує ідею, що всякий предмет і подія фізичного світу має у своїй основі - у більшості випадків у вельми глибокій основі - нематеріальний джерело і пояснення; те, що ми називаємо реальністю, виростає в кінцевому рахунку з постановки "так-ні"-питань і реєстрації відповідей на них за допомогою апаратури; коротко кажучи, всі фізичні сутності в своїй основі є інформаційно-теоретичними і що Всесвіту для свого буття необхідно наша участь (див. Антропний принцип). ( Джон Арчібальд Уїлер 1990: 5)

Девід Чалмерс з Австралійського національного університету так резюмував погляди Уїлера:

Уілер (1990) запропонував, що інформація фундаментальна для фізики Всесвіту. Відповідно до цієї доктриною "все з біта" ("it from bit") закони фізики можуть бути виражені в термінах інформації, які стверджують різні стани, що дає початок різним ефектам, фактично без пояснення, що це за стану. Важлива тільки їх позиція в інформаційному просторі. Якщо це так, то інформація також є природним кандидатом на роль у фундаментальній теорії свідомості. Ми прийшли до концепції дійсності, по якій інформація істинно фундаментальна, і по якій вона володіє двома базовими аспектами, відповідними фізичної і сприйманої сторонам дійсності. [17]

Крістофер Ланган також посилив погляди Уїлера у своїй епістемологічної метатеорії:

Майбутнє теорії дійсності по Джона Уїлера:
У 1979 прославлений фізик Джон Уїлер, виробивши неологізм "чорна діра", знайшов йому хороше філософську застосування в назві дослідницької праці "За межами Чорної Діри", в якій він описує Всесвіт як самозбуджується схему. Робота включає ілюстрацію, на якій одна частина великої літери U, по видимості означає Всесвіт (Universe), забезпечена великою і досить розумним оком, пильно розглядати іншу сторону, якій він, по всій видимості, опановує через спостереження як чуттєвої інформацією. По своєму розташуванню очей означає сенсорний або когнітивний аспект дійсності, можливо навіть людини-спостерігача всередині Всесвіту, в той час як мета сприйняття ока представляє інформаційний аспект дійсності. Завдяки цим додатковим аспектам здається, що Всесвіт може бути, в деякому розумінні, але не обов'язково в загальному вживанні, бути описана як "сознающая" і "интроспективная" ... можливо, навіть "інфокогнітівная". [18]

Мабуть, перше формальне подання ідеї про те, що інформація, можливо, є фундаментальною величиною в ядрі фізики належить Фредеріку Кантору, фізику з Колумбійського університету. Книга Кантора "Інформаційна механіка" ( Wiley-Interscience, 1977) детально розробляє цю ідею, але без математичної строгості.

Труднейшей завданням у програмі Уїлера по дослідженню цифрового розкладання фізичного існування в об'єднаній фізиці, за його власними словами, був час. У 1986 році в хвалебною промові математику Герману Вейля він проголосив: "Серед усіх понять зі світу фізики час надає найбільший опір повалення зі світу ідеального континууму в світ дискретності, інформації, бітів ... З усіх перешкод до повного розуміння основ буття ніяке не маячить на горизонті так жахливо, як" час ". Пояснити час? Неможливо без пояснення буття. Розкриття глибокої і прихованої зв'язку між часом і буттям ... це завдання для майбутнього " ​​[19]. Австралійський філософ-феноменолог Майкл Елдер прокоментував це:

Антиномія між континуумом і часом у зв'язку з питанням буття ... по слова Уїлера є причиною занепокоєння, що кидає виклик майбутньої квантовій фізиці, викликаного як воно є волею до влади над рухомої реальністю, для "досягнення чотирьох перемог" (там же) ... І так, ми повернулися до проблеми "розуміння квантової як заснованої на вельми простий і - коли ми зрозуміємо це - абсолютно очевидною ідеї" (там же), з якої може бути виведений часовий континуум. Тільки так воля до математично обчислюваною влади над динамікою, тобто рухом у часі, буття в цілому могла бути задоволена. [20] [21]


2.5. Цифрова або інформаційна фізика

Не кожен інформаційний підхід до фізики (або онтології) є неодмінно цифровим. За Лучано Флороді [22], "інформаційний структурний реалізм" є варіант структурного реалізму, який підтримує онтологічне зобов'язання світу, що складається з повноти інформаційних об'єктів, динамічно взаємодіють один з одним. Такі інформаційні об'єкти повинні розумітися як змушують аффорданси.

Цифрова онтологія і панкомпьютеціоналізм також є незалежними. Зокрема, Джон Уїлер відстоював перший, але нічого не говорив про останній, див. цитату в попередній секції.

З одного боку, панкомпьютеціоналісти, такі, як Ллойд (2006), які конструювали Всесвіт як квантовий комп'ютер, можуть досі підтримувати аналогову або гібридну онтологію, з іншого боку, інформаційні онтології, такі як сайри та Флориди, не приймають ні цифрову онтологію, ні позицію панкомпьютеціоналістов [23].


3. Підстави вичіслімості

3.1. Машини Тюрінга

Інформатика заснована на понятті машини Тьюринга, уявної обчислювальній машині, вперше описаної Аланом Тьюрінгом в 1936 році. Незважаючи на її простоту, теза Черча - Тьюринга припускає, що машина Тьюринга може вирішити будь-яку "коректну" задачу (в інформатиці завдання вважається "вирішуваною", якщо вона може бути вирішена в принципі, тобто в кінцеве час, який не обов'язково є кінцевим часом, який має значення для людей ). Тому машина Тьюринга встановлює принципову "верхню межу" обчислювальної потужності, на відміну від можливостей, що даються гіпотетіческімім гіперкомпьютерамі.

Принцип обчислювальної еквівалентності Стівена Вольфрама вагомо виправдовує цифровий підхід. Цей принцип, якщо він вірний, означає, що все може бути обчислено одній по суті простий машиною, реалізацією клітинного автомата. Це один із способів здійснення традиційної мети фізики: пошук простих законів і механізмів для всієї природи.

Цифрова фізика фальсифицируема тим, що менш потужний клас обчислювачів не може симулювати більш потужний клас. Таким чином, якщо наш Всесвіт є гігантською симульованої реальністю, ця симуляція виконується на обчислювачі, по потужності принаймні не поступається машині Тьюринга. Якщо людство досягне успіху в побудові гіперкомпьютера, то це буде означати, що машина Тьюрінга не має достатньо потужності для симуляції Всесвіту.


3.2. Теза Черча - Тьюринга (Дойча)

Класичний теза Черча - Тьюринга вимагає, щоб будь обчислювач, еквівалентний за потужністю машині Тьюринга, міг би, в принципі, обчислювати все, що може обчислювати людина, якщо йому дано достатньо часу. Більш сувора версія, не приписувана Черче або Тьюрингу [24], вимагає, щоб універсальна машина Тьюрінга могла обчислювати все що завгодно, таким чином вимагаючи неможливість побудови "супермашини Тьюринга", званої гіперкомпьютером. Але межі практичних обчислень встановлюються фізикою, а не інформатикою:

"Тьюринг не показав ні що його машини можуть вирішити будь-яке завдання, яка може бути вирішена" інструкціями, явно сформульованими правилами або процедурами ", ні довів, що універсальна машина Тьюрінга" може обчислювати будь-яку функцію, яку будь-який комп'ютер будь архітектури може обчислювати ". Він довів, що його універсальна машина Тьюрінга може обчислювати будь-яку функцію, яку може обчислювати будь-яка машина Тьюринга; та він висунув філософський аргумент на підтримку цього, теза, тут званий тезою Тьюринга. Але ця теза, торкаючись області ефективних методів (тобто області процедур певного виду , які здатний виконувати не забезпечений допомогою машин людина), не зачіпає процедури, які здатні виконувати машини, навіть відповідно до "явно сформульованими правилами". Серед набору машинних операцій можуть бути такі, що не зможе виконати жоден не забезпечений допомогою машин людина " [25].

З іншого боку, якщо зроблено дві додаткові гіпотези, такі як:

  • гіпервичісленія завжди вимагають справжніх нескінченностей;
  • справжніх нескінченностей у фізиці не існує,

то результуючий комбінований принцип обов'язково полягає у встановлені Тьюрінгом рамки.

Як висловився Девід Дойч :

"Зараз я можу сформулювати фізичну версію принципу Черча - Тьюринга:" Кожна кінцева доступна розумінню фізична система може бути повністю симулювати за допомогою універсальної машини для обчислення моделей, діючої кінцевими методами ". Це формулювання більш певна і більш фізична, ніж запропонована Тьюрінгом" [26 ]. (Курсив доданий)

Ця комбінована гіпотеза іноді називається "сильним тезою Черча - Тьюринга" або тезою Черча - Тьюринга - Дойча.


4. Критика

Критики цифровий фізики, включаючи фізиків, що працюють в області квантової механіки, заперечують проти неї за низкою причин.

4.1. Безперервності фізичних симетрій

Одне із заперечень полягає в тому, що існуючі нині моделі цифрового фізики несумісні з існуванням деяких неперервних ознак фізичних симетрій, наприклад симетрії обертання, трансляції простору, симетрії Лоренца і електрослабкої симетрії, які є центральними для поточної фізичної теорії.

Захисники цифровий фізики заявляють, що такі безперервні симетрії - всього лише зручні (і вельми хороші) наближення дискретної реальності. Наприклад, міркування, що приводять до систем природних одиниць і висновку про те, що Планка довжина є мінімальною значущою одиницею довжини, пропонують, що на деякому рівні простір саме по собі квантованного [27].


Примітки

  1. Jaynes, ET, 1957, "Information Theory and Statistical Mechanics" - bayes.wustl.edu/etj/articles/theory.1.pdf, Phys. Rev 106: 620.
  2. Jaynes, ET, 1957, "Information Theory and Statistical Mechanics II" - bayes.wustl.edu/etj/articles/theory.2.pdf, Phys. Rev. 108: 171.
  3. Jaynes, ET, 1990, "Probability Theory as Logic" - bayes.wustl.edu / etj / articles / prob.as.logic.pdf, in Fougere, PF, ed., Maximum-Entropy and Bayesian Methods. Boston: Kluwer.
  4. Див сайт Фредкіна по цифровій філософії - www.digitalphilosophy.org
  5. Сайт - www.wolframscience.com книги A New Kind of Science
  6. Огляд книги A New Kind of Science - www.math.usf.edu/ ~ eclark / ANKOS_reviews.html
  7. Schmidhuber, J., "Computer Universes and an Algorithmic Theory of Everything" - www.idsia.ch/ ~ juergen / computeruniverse.html.
  8. G. 'T Hooft, 1999, "Quantum Gravity as a Dissipative Deterministic System" - arxiv.org/abs/gr-qc/9903084, Class. Quant. Grav. 16: 3263-79.
  9. Lloyd, S., "The Computational Universe: Quantum gravity from quantum computation" - arxiv.org/abs/quant-ph/0501135
  10. Zizzi, Paola, "Spacetime at the Planck Scale: The Quantum Computer View" - arxiv.org/abs/gr-qc/0304032.
  11. Zizzi, Paola, "A Minimal Model for Quantum Gravity" - arxiv.org/gr-qc/0406069
  12. Zizzi, Paola, "Computability at the Planck Scale" - arxiv.org/gr-qc/0412076
  13. Marzuoli, A. and Rasetti, M., 2002, "Spin Network Quantum Simulator" - arxiv.org/quant-ph/0209016, Phys. Lett. A306, 79-87.
  14. Marzuoli, A., and Rasetti, M., 2005, "Computing Spin Networks" - arxiv.org/quant-ph/0410105, Annals of Physics 318: 345-407.
  15. Girelli, F.; Livine, ER, 2005, "Reconstructing Quantum Geometry from Quantum Information: Spin Networks as Harmonic Oscillators" - arxiv.org/abs/gr-qc/0501075 Class. Quant. Grav. 22: 3295-3314.
  16. Papers on pancompuationalism - philpapers.org / browse / pancomputationalism
  17. Chalmers, David. J., 1995, "Facing up to the Hard Problem of Consciousness" - consc.net / papers / facing.html, Journal of Consciousness Studies 2 (3): 200-19. This paper cites John A. Wheeler, 1990, "Information, physics, quantum: The search for links" in W. Zurek (ed.) Complexity, Entropy, and the Physics of Information. Redwood City, CA: Addison-Wesley. Also see Chalmers, D., 1996. The Conscious Mind. Oxford Univ. Press.
  18. Langan, Christopher M., 2002, "The Cognitive-Theoretic Model of the Universe: A New Kind of Reality Theory, pg. 7" - www.megafoundation.org/CTMU/Articles/Langan_CTMU_092902.pdf Progress in Complexity, Information and Design
  19. Wheeler, John Archibald, 1986, "Hermann Weyl and the Unity of Knowledge" - www.weylmann.com / wheeler.pdf
  20. Eldred, Michael, 2009, "Postscript 2: On quantum physics 'assault on time" - www.arte-fact.org/dgtlon_e.html # ps2
  21. Eldred, Michael, 2009, The Digital Cast of Being: Metaphysics, Mathematics, Cartesianism, Cybernetics, Capitalism, Communication - www.arte-fact.org/dgtlcast.html ontos, Frankfurt 2009 137 pp. ISBN 978-3-86838-045 -3
  22. Floridi, L., 2004, "Informational Realism" - crpit.com/confpapers/CRPITV37Floridi.pdf, in Weckert, J., and Al-Saggaf, Y, eds., Computing and Philosophy Conference, vol. 37. "
  23. Див доповідь Флориді "Informational Nature of Reality" на конференції E-CAP в 2006 році.
  24. B. Jack Copeland, Computation in Luciano Floridi (ed.), The Blackwell guide to the philosophy of computing and information, Wiley-Blackwell, 2004, ISBN 0-631-22919-1, pp. 10-15
  25. Stanford Encyclopedia of Philosophy : "The Church-Turing thesis" - www.science.uva.nl/ ~ seop / entries / church-turing / # Bloopers - by B. Jack Copeland
  26. David Deutsch, "Quantum Theory, the Church-Turing Principle and the Universal Quantum Computer".
  27. John A. Wheeler, 1990, "Information, physics, quantum: The search for links" in W. Zurek (ed.) Complexity, Entropy, and the Physics of Information. Redwood City, CA: Addison-Wesley.