Войти
В физике и космологии цифровая физика является набор теоретических перспектив, основанный на предпосылке, что вселенная описывается информацией. Это форма цифровой онтологии о физической реальности. Согласно этой теории, Вселенную можно представить как результат детерминированной или вероятностной компьютерной программы, огромного цифрового вычислительного устройства или математический Изоморфизм к такому устройству.
Операции компьютеров должны быть совместимым с принципами теории информации, статистической термодинамики и квантовой механики. В 1957 г. связь между этими областями была предложена Эдвином Джейнсом. Он разработал интерпретацию теории вероятностей как обобщенной логики Аристотеля, точки зрения, связывающей фундаментальную физику с цифровыми компьютерами, поскольку они предназначены для реализации операций классической логики и, что то же самое, булевой алгебры.
Гипотеза о том, что вселенная является цифровой машиной, была предложена Конрад Цузе в своей книге «Rechnender Raum» (перевод на английский язык как Расчет пространства ). Термин «цифровая физика» был использован Эдвардом Фредкином в 1978 году, который позже предпочел термин цифровая философия. Среди других, кто смоделировал Вселенную как гигантский компьютер, были Стивен Вольфрам, Юрген Шмидхубер и лауреат Нобелевской премии Джерард 'т Хофт. Эти авторы считают, что вероятностная природа квантовой физики не обязательно несовместима с понятием вычислимости. Квантовые версии цифровой физики недавно были предложены Сетом Ллойдом, Паолой Зицци и.
Связанные идеи включают Карл Фридрих фон Вайцзеккер ' бинарная теория ур-альтернатив, панкомпьютационализм, теория вычислительной вселенной, Джона Арчибальда Уиллера «все из бита» и Макса Тегмарка окончательный ансамбль.
Цифровая физика предполагает, что существует, по крайней мере в принципе, программа для универсального компьютера, которая вычисляет эволюцию вселенная. Компьютер может быть, например, огромным клеточным автоматом (Zuse, 1967) или универсальной машиной Тьюринга, как предположил Шмидхубер (1997), который указал, что существует короткая программа, которая может вычислить все возможные вычислимые вселенные асимптотически оптимальным способом.
Петлевая квантовая гравитация могла бы поддержать цифровую физику, поскольку она предполагает, что пространство-время квантовано. Паола Зицци сформулировала реализацию этой концепции в том, что стало называться «вычислительным» петлевая квантовая гравитация », или CLQG. Другие теории, сочетающие аспекты цифровой физики с петлевой квантовой гравитацией, - это теории Марцуоли и Разетти, Джирелли и Ливин.
Физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер теория ур-альтернатив (теория архетипических объектов), впервые опубликованная в его книге «Единство природы» (1971), получившая дальнейшее развитие в 1990-е годы, представляет собой своего рода цифровую физику, как она аксиоматически строит квантовую физику на основе различия между эмпирически наблюдаемыми бинарными альтернативами. Вайцзекер использовал свою теорию, чтобы вывести трехмерность пространства и оценить энтропию протона . В 1988 году Гёрниц показал, что предположение Вайцзеккера может быть связано с энтропией Бекенштейна – Хокинга.
Панкомпутационализм (также известный как натуралистический вычислительный подход ) - это точка зрения, согласно которой Вселенная - это вычислительная машина или, скорее, сеть вычислительных процессов, которая, следуя фундаментальным физическим законам, вычисляет (динамически развивает) свое собственное следующее состояние из текущего.
Вычислительная вселенная предложена Юргеном Шмидхубер в статье, основанной на диссертации Цузе 1967 года. Он указал, что простое объяснение Вселенной было бы машиной Тьюринга, запрограммированной на выполнение всех возможных программ, вычисляющих все возможные истории для всех типов вычислимых физических законов. Он также указал, что существует оптимально эффективный способ вычисления всех вычислимых вселенных, основанный на универсальном поисковом алгоритме Леонида Левина (опубликованном в 1973 г.). В 2000 году он расширил эту работу, объединив теорию индуктивного вывода Рэя Соломонова с предположением, что быстро вычислимые вселенные более вероятны, чем другие. Эта работа по цифровой физике также привела к предельно вычислимым обобщениям алгоритмической информации или сложности Колмогорова и концепции Супер Омег, которые представляют собой предельно вычислимые числа, которые даже более случайны (в определенном смысле), чем Число мудрости Грегори Чейтина Омега.
Вслед за Джейнсом и Вайцзекером физик Джон Арчибальд Уилер предложил «это из бита» доктрина: информация лежит в основе физики, и каждое «это», будь то частица или поле, происходит из наблюдений.
В хвалебной речи 1986 г. математик Герман Вейл, Уиллер провозгласил: «Время среди всех концепций в мире физики оказывает самое сильное сопротивление свержению с идеального континуума в мир дискретного, информации, битов.... Из всех препятствий на пути к всестороннему анализу существования ни одно не вырисовывается более пугающе, чем «время». Объяснить время? Не без объяснения существования. Объяснить существование? Не без объяснения времени. Раскрыть глубокую и скрытую связь между временем и существованием... это задача будущего ».
Не всякий информационный подход к физике (или онтология ) обязательно цифровой. Согласно Лучано Флориди, «информационный структурный реализм» - это вариант структурного реализма, который поддерживает онтологическую приверженность миру, состоящему из совокупности информационных объектов, динамически взаимодействуют друг с другом. Такие информационные объекты следует понимать как ограничивающие возможности.
Панкомпьютеры, такие как Ллойд (2006), который моделирует Вселенную как квантовый компьютер, все еще могут поддерживать аналоговую или гибридную онтологию; и информационные онтологи, такие как Кеннет Сейр и Флориди, не придерживаются ни цифровой онтологии, ни панкомпьютерской позиции.
Классический тезис Черча – Тьюринга утверждает, что любой компьютер столь же мощный, как машина Тьюринга, в принципе может вычислить все, что может вычислить человек, дали достаточно времени. Более того, Тьюринг показал, что существуют универсальные машины Тьюринга, которые могут вычислять все, что может вычислить любая другая машина Тьюринга, - что они являются обобщаемыми машинами Тьюринга. Но пределы практических вычислений устанавливаются физикой, а не теоретической информатикой:
«Тьюринг не показал, что его машины могут решить любую проблему, которая может быть решена с помощью инструкций, четко установленных правил, или процедуры », и не доказал, что универсальная машина Тьюринга« может вычислить любую функцию, которую может вычислить любой компьютер с любой архитектурой ». Он доказал, что его универсальная машина может вычислить любую функцию, которую может вычислить любая машина Тьюринга; и он положил выдвинули вперед и выдвинули философские аргументы в поддержку тезиса, называемого здесь тезисом Тьюринга. Но тезис о степени эффективных методов, то есть о степени процедур определенного вида, которые может выполнять человек без помощи машин. выполнения - не влияет на объем процедур, которые машины способны выполнять, даже если машины действуют в соответствии с «четко установленными правилами». Ведь среди машинного репертуара атомарных операций могут быть такие, которые не может выполнить ни один человек без помощи машины ».
С другой стороны, модификация предположений Тьюринга действительно приводит практические вычисления в пределы Тьюринга; как Дэвид Дойч говорит об этом:
«Теперь я могу сформулировать физическую версию принципа Чёрча-Тьюринга:« Каждая физическая система с конечной реализацией может быть идеально смоделирована универсальной модельной вычислительной машиной, работающей конечными средствами.. ' Эта формулировка и лучше определена, и более физична, чем собственный способ выражения Тьюринга ». (выделение добавлено)
Эту сложную гипотезу иногда называют« сильным тезисом Черча-Тьюринга »или Черч-Тьюринг. –Дойчский принцип. Он сильнее, потому что человек или машина Тьюринга, выполняющая вычисления с карандашом и бумагой (в условиях Тьюринга), представляет собой конечно реализуемую физическую систему.
Пока нет экспериментального подтверждения двоичной или квантованной природы Вселенной, которые являются основными для цифровой физики. Несколько попыток, предпринятых в этом направлении, включают эксперимент с голометром, разработанным Крейгом Хоганом, который, среди прочего, обнаружит битовую структуру пространства-времени. Эксперимент начал сбор данных в августе 2014 года.
Новый результат эксперимента, опубликованный 3 декабря 2015 года, после года сбора данных, исключил теорию Хогана о пиксельной Вселенной в высокой степени: 108>статистическая значимость (4,6 сигма). Исследование показало, что пространство-время не квантовано в измеряемом масштабе.
Одно возражение состоит в том, что существующие модели цифровой физики несовместимы с существованием нескольких непрерывных символов физических симметрий, например, вращательной симметрии, трансляционной симметрии, симметрия Лоренца и группа Ли калибровочная инвариантность теорий Янга – Миллса, которые являются центральными в современной физической теории.
Сторонники цифровой физики утверждают, что такие непрерывные симметрии являются лишь удобными (и очень хорошими) приближениями дискретной реальности. Например, рассуждение, приводящее к системе натуральных единиц и вывод о том, что планковская длина является минимальной значимой единицей расстояния, предполагает, что на некотором уровне само пространство квантовано.
Более того, компьютеры могут управлять формулами, описывающими действительные числа, и решать их, используя символьное вычисление, тем самым избегая необходимости приближать действительные числа с помощью бесконечного числа цифр.
Число, в частности действительное число, состоящее из бесконечного числа цифр, было определено Аланом Тьюрингом как вычислимое, если машина Тьюринга будет продолжать бесконечно выплевывать цифры. Другими словами, "последней цифры" нет. Но это плохо сочетается с любым предположением о том, что Вселенная является результатом экспериментов с виртуальной реальностью, выполняемых в реальном времени (или в любом другом вероятном времени). Известные физические законы (включая квантовую механику и ее непрерывные спектры ) в значительной степени связаны с действительными числами и математикой континуума.
" Таким образом, обычные вычислительные описания не имеют количества состояний и траекторий в пространстве состояний, достаточного для их отображения на обычные математические описания природных систем. Таким образом, с точки зрения строгого математического описания, тезис о том, что все является вычислительной системой в этом втором смысле нельзя поддерживать ».
Со своей стороны, Дэвид Дойч обычно придерживается« мультивселенной »в вопросе о непрерывном и дискретном. Короче говоря, он думает, что «в каждой вселенной все наблюдаемые величины дискретны, но мультивселенная в целом представляет собой континуум. Когда уравнения квантовой теории описывают непрерывный, но не наблюдаемый непосредственно переход между двумя значениями дискретной величины, они говорят нам, что переход не происходит полностью в пределах одной вселенной. Так что, возможно, цена непрерывного движения - не бесконечность последовательных действий, а бесконечность одновременных действий, происходящих в мультивселенной ». Январь 2001 г. «Дискретное и Непрерывное», сокращенная версия которого появилась в Дополнении к Times для высшего образования.
Некоторые утверждают, что существующие модели цифровой физики нарушают различные постулаты квантовая физика. Например, если эти модели не основаны на гильбертовых пространствах и вероятностях, они принадлежат к классу теорий с локальными скрытыми переменными, которые до сих пор были исключены экспериментально с использованием Теорема Белла. У этой критики есть два возможных ответа. Во-первых, любое понятие локальности в цифровой модели не обязательно должно соответствовать локальности, сформулированной обычным образом в возникающем пространстве-времени. Конкретный пример этого случая дал Ли Смолин. Другая возможность - это хорошо известная лазейка в теореме Белла, известная как супердетерминизм (иногда называемая предетерминизмом). В полностью детерминированной модели решение экспериментатора измерить определенные компоненты спинов предопределено. Таким образом, предположение о том, что экспериментатор мог решить измерить компоненты спинов, отличные от того, что он делал на самом деле, строго говоря, неверно.
