A digitális fizika a fizikában és a kozmológiában olyan elméleti nézetek halmaza, amelyek azon az értelmezésen alapulnak, hogy az Univerzum alapvetően információ , ezért kiszámítható . Ebből az elképzelésből következik, hogy az Univerzum felfogható valamilyen számítógépes program működésének eredményeként vagy valamiféle digitális számítástechnikai eszközként (vagy legalábbis egy ilyen eszközzel matematikailag izomorf eszközként).
A digitális fizika a következő hipotézisek közül egy vagy többen alapul (a feltevések növekvő merészségének sorrendjében). Univerzum vagy valóság :
Minden számítógépnek kompatibilisnek kell lennie az információelmélet , a statisztikai termodinamika és a kvantummechanika elveivel . E területek közötti alapvető kapcsolatot Edwin Jaynes javasolta két statisztikai mechanikai munkájában [1] [2] . Ezenkívül Jaynes gondosan kidolgozta a valószínűségszámítás értelmezését az arisztotelészi logika általánosításaként, amely jól alkalmas az alapvető fizika és a digitális számítógépek összekapcsolására , mivel azokat a klasszikus logika és a logikai algebra műveleteinek végrehajtására tervezték [3] .
Azt a hipotézist, hogy az univerzum egy digitális számítógép, először Konrad Zuse dolgozta fel Rechnender Raum (" Számítási tér " című könyvében) ."). A "digitális fizika" kifejezést Edward Fredkin használta, aki később inkább a "digitális filozófia" kifejezést választotta [4] . Azok között, akik óriási számítógépnek tekintették az univerzumot, volt Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] és a Nobel-díjas Gerard 't Hooft [7] . Ezek a szerzők úgy vélték, hogy a kvantumfizika látszólag valószínűségi természete nem feltétlenül összeegyeztethetetlen a kiszámíthatóság gondolatával. Seth Lloyd [8] , David Deutsch és Paola Zizzi nemrégiben javasolta a digitális fizika kvantumváltozatát.[9] .
Hasonló gondolatok Carl Friedrich von Weizsäcker proto-alternatív elmélete, a pánszámítástechnika, az univerzum számítási elmélete, John Wheeler „információból származó cucc” ( ez bitből ) elmélete és Max Tegmark matematikai univerzum hipotézise („ Finite Ensemble ”) .
A digitális fizika azt sugallja, hogy van - legalábbis elvileg - egy program , amely valós időben számítja ki az univerzum evolúcióját. Ez a számítógép lehet például egy óriási cellás automata (Zuse 1967 ) vagy univerzális Turing gép , Schmidhuber ( 1997 ) javaslata szerint ). Felhívták a figyelmet arra, hogy létezik egy nagyon rövid program, amely aszimptotikusan optimális módon képes kiszámítani az összes lehetséges kiszámítható univerzumot.
Voltak kísérletek egyedi fizikai részecskék bitekkel történő azonosítására . Például, ha egy elemi részecske , például egy elektron , átmegy egyik kvantumállapotból a másikba, akkor ez egy bit értékének változásának tekinthető, például 0-ról 1-re. Egyetlen bit is elegendő ahhoz, hogy egy adott részecske egyetlen kvantumátmenetét írja le. Mivel az Univerzum úgy tűnik, hogy elemi részecskékből áll, amelyek viselkedése kvantumátmeneteikkel teljesen leírható, ez arra utal, hogy teljesen leírható információbitek segítségével. Minden állapot információs és minden állapotváltozás információváltozás (egy vagy több bit manipulálását igényli). Ha eltekintünk a sötét anyagtól és a sötét energiától , amelyek jelenleg kevéssé ismertek, az ismert univerzum körülbelül 1080 protonból és körülbelül ugyanennyi elektronból áll. Ebből következik, hogy az univerzumot egy 1090 bit tárolására és manipulálására képes számítógépen lehet szimulálni . Ha valóban megtörténik egy ilyen szimuláció, akkor szuper-Turing-számítások lehetetlenek.
A hurokkvantumgravitáció támogatja a digitális fizikát, mivel a téridőt kvantálhatónak tekinti. Paola Zizzi ennek a gondolatnak a reflexióját fogalmazta meg az úgynevezett "számítási hurok kvantumgravitációjában" [ 10 ] [11] . Annalise Marzuioli és Mario Rasetti [12] [13] , valamint Florian Girelli és Etera Livin [14] további elméleteket dolgozott ki, amelyek a digitális fizika szempontjait ötvözték a hurokkvantumgravitációval .
Carl Friedrich von Weizsacker fizikus protoalternatívák elméletét először az Einheit der Natur (A természet egysége; 1971; 1980-ban fordították le angolra A természet egysége ) című könyvében, majd a Zeit und Wissenben (Idő és megismerés) fejlesztette ki. .; 1992). Ez az elmélet egyfajta digitális fizika, mivel axiomatikusan feltételezi, hogy a kvantumvilág az empirikusan megfigyelt bináris alternatívák közötti különbségből áll. Weizsäcker elméletét használta a tér háromdimenziósságának megállapítására és a fekete lyukba eső proton entrópiájának becslésére.
A pancomputationalizmus (más néven pancomputationalism , natural computingism ) az Univerzumnak egy nagy számítástechnikai gépként való felfogása, vagy inkább számítási folyamatok hálózata, amely a jelenlegi állapotból számítja ki az alapvető fizikai törvények következő állapotát (dinamikusan fejlődik) [15] .
John Wheeler fizikus Jaynes és Weizsäcker nyomán ezt írta:
Nem ésszerűtlen azt képzelni, hogy az információ ugyanúgy a fizika magjában van, mint egy számítógép magjában.
Minden a bittől [ It from bit ]. Más szóval, minden létező - minden részecske, minden erőtér, még maga a tér-idő kontinuum is - funkcióját, jelentését és végső soron létét - még ha bizonyos helyzetekben nem is közvetlenül - az általunk kivont válaszokból meríti. fizikai eszközök segítségével "igen" vagy "nem" választ igénylő kérdésekre, bináris alternatívákból, bitekből. A „minden egy ütemtől” azt az elképzelést szimbolizálja, hogy a fizikai világ minden tárgya és eseménye alapja - a legtöbb esetben nagyon mélyen - egy anyagtalan forrás és magyarázat; amit valóságnak nevezünk, az végül is az "igen-nem" kérdések feltevéséből és a rájuk adott válaszok berendezés segítségével történő regisztrálásából nő ki; röviden, minden fizikai entitás alapvetően információelméleti, és hogy az Univerzumnak szüksége van a részvételünkre a létezéséhez (lásd az antropikus elvet ).
David Chalmers , az Ausztrál Nemzeti Egyetem munkatársa így foglalta össze Wheeler nézeteit:
Wheeler (1990) azt javasolta, hogy az információ alapvető fontosságú a világegyetem fizikája szempontjából. E "mindent egy kicsit" doktrína szerint a fizika törvényei olyan információkkal fejezhetők ki, amelyek különböző állapotokat állítanak, amelyek különböző hatásokat váltanak ki anélkül, hogy megmagyaráznák, mik ezek az állapotok. Csak az információs térben elfoglalt helyük fontos. Ha igen, akkor az információ is természetes jelölt egy alapvető tudatelméletben betöltött szerepre. Eljutottunk egy olyan valóságfelfogáshoz, amely szerint az információ valóban alapvető, és amely szerint két alapvető aspektusa van, amelyek megfelelnek a valóság fizikai és észlelt oldalának. [16] [17]
Christopher Langan szintén megerősítette Wheeler nézeteit ismeretelméleti metaelméletében :
A valóságelmélet jövője John Wheeler szerint:
1979-ben a híres fizikus, John Wheeler, aki kifejlesztette a „fekete lyuk” neologizmust, jó filozófiai hasznot húzott a „Beyond the Black Hole” című kutatási cikkében, amelyben az Univerzumot öngerjesztő áramkörként írja le. A mű tartalmaz egy illusztrációt, amelyen a nagy U betű egyik része, amely látszólag az Univerzumot jelenti, nagy és rendkívül intelligens szemmel van felszerelve, amely figyelmesen nézi a másik oldalt, amelyet szemmel láthatóan megfigyeléssel, mint érzékszervi információval sajátít el. Elhelyezkedése szerint a szem a valóság érzékszervi vagy kognitív aspektusát jelenti, esetleg emberi megfigyelőt is az Univerzumban, míg a szem észlelési célpontja a valóság információs aspektusát. Ezeknek a további szempontoknak köszönhetően úgy tűnik, hogy az Univerzum bizonyos értelemben, de nem feltétlenül a közhasználatban, „tudatosnak” és „introspektívnek” írható le...talán „infokognitív”. [tizennyolc]
Nyilvánvalóan Frederick Cantortól, a Columbia Egyetem fizikusától származik az első formális bemutatása annak az ötletnek, hogy az információ talán a fizika magjában az alapvető mennyiség . Kantor Information Mechanics ( Wiley-Interscience , 1977) című könyve részletesen kidolgozza ezt az elképzelést, de matematikai szigor nélkül.
Wheeler programjában, amely a fizikai létezés digitális bomlását vizsgálta az egységes fizikában, saját szavai szerint az idő jelentette a legnehezebb feladatot. 1986-ban Hermann Weyl matematikusnak mondott laudációjában kijelentette:
A fizika világából származó összes fogalom közül az idő nyújtja a legnagyobb ellenállást ahhoz, hogy az ideális kontinuum világából a diszkrétség, az információ, a bitek világába boruljon... A lét alapjainak teljes megértését akadályozó összes akadály közül nincs. olyan rettenetesen dereng a láthatáron, mint az „idő”. Magyarázd el az időt? Lehetetlen a lét magyarázata nélkül. Az idő és a lét közötti mély és rejtett kapcsolat feltárása... a jövő feladata [19] .
Michael Elder ausztrál filozófus-fenomenológus így nyilatkozott erről:
A kontinuum és az idő közötti antinómia a lét kérdésével összefüggésben... Wheeler szerint az oka annak a szorongásnak, amely kihívás elé állítja a kvantumfizika jövőjét, mivel azt a mozgó valóság feletti hatalom akarása okozza, hogy " négy győzelmet elérni" (uo.) ... És így visszatértünk a "kvantumság megértésének egy nagyon egyszerű és - ha ezt megértjük - teljesen nyilvánvaló elképzelésen" (uo.) problémájához, amelyből az időkontinuum származtatható. Csak így lehetne kielégíteni a matematikailag kiszámítható hatalomra vonatkozó akaratot a lét egészének dinamikája, vagyis az időbeni mozgása felett. [20] [21]
A fizika (vagy az ontológia ) nem minden információs megközelítése feltétlenül digitális. Luciano Florodi [22] szerint az "információs strukturális realizmus" a strukturális realizmus egy olyan változata , amely fenntartja az ontológiai elkötelezettséget egy olyan világ iránt, amely az egymással dinamikusan kölcsönhatásba lépő információs objektumok teljességéből áll. Az ilyen információs objektumokat meggyőző affordanciaként kell értelmezni.
A digitális ontológia és a pancomputationalizmus is függetlenek. J. Wheeler különösen az előbbit védte, de az utóbbiról nem mondott semmit.
Egyrészt a pancompuationalisták, mint például Lloyd (2006 ), aki az Univerzumot kvantumszámítógépnek tervezte , továbbra is támogathat egy analóg vagy hibrid ontológiát; másrészt az információs ontológusok, mint például Sayre és Floridi, nem fogadják el sem a digitális ontológiát, sem a pancomputationalista álláspontot [23] .
A számítástechnika a Turing-gép koncepcióján alapul , egy képzeletbeli számítástechnikai gépen, amelyet először Alan Turing írt le 1936-ban. A Church-Turing tézis egyszerűsége ellenére azt feltételezi, hogy egy Turing-gép bármilyen "helyes" problémát meg tud oldani (az informatikában egy probléma akkor tekinthető "megoldhatónak", ha elvileg, azaz véges idő alatt megoldható, nem feltétlenül véges idő fontos az emberek számára). Ezért a Turing-gép meghatározza a számítási teljesítmény alapvető "felső határát", ellentétben a hipotetikus hiperszámítógépek adta lehetőségekkel .
Stephen Wolfram számítási ekvivalencia elve igazolja a digitális megközelítést. Ez az elv, ha igaz, azt jelenti, hogy mindent ki lehet számítani egyetlen, lényegében egyszerű géppel, egy cellás automata megvalósításával . Ez az egyik módja a fizika hagyományos céljának megvalósításának: egyszerű törvények és mechanizmusok keresése az egész természet számára.
A digitális fizika meghamisítható azáltal, hogy a számológépek kevésbé erős osztálya nem képes erősebb osztályt szimulálni. Így, ha univerzumunk egy gigantikus szimulált valóság , akkor ez a szimuláció legalább olyan erős számítógépen fut, mint egy Turing-gép. Ha az emberiségnek sikerül hiperszámítógépet építenie, akkor ez azt jelenti, hogy a Turing-gépnek nincs elég ereje az univerzumot szimulálni.
A klasszikus Church-Turing-tézis megköveteli, hogy minden olyan számológép, amely teljesítménye egyenértékű egy Turing-géppel, elvileg bármit ki tud számolni, amit az ember képes kiszámítani, ha elegendő idő áll rendelkezésre. Egy szigorúbb, nem Churchnek vagy Turingnak tulajdonított változat [24] megköveteli, hogy egy univerzális Turing-gép képes legyen bármit kiszámítani, így lehetetlen egy "Turing-szupergépet", úgynevezett hiperszámítógépet megépíteni. De a gyakorlati számítástechnika határait a fizika szabja meg, nem az informatika:
Turing nem mutatta be, hogy gépei bármilyen problémát meg tudnának oldani, amelyet "utasításokkal, kifejezetten meghatározott szabályokkal vagy eljárásokkal" meg lehetne oldani, és azt sem, hogy egy univerzális Turing-gép "bármilyen függvényt képes kiszámítani, amelyet bármilyen architektúrájú számítógép képes kiszámítani". Bebizonyította, hogy univerzális Turing-gépe bármilyen függvényt képes kiszámítani, amelyet bármely Turing-gép ki tud számítani; és ennek alátámasztására filozófiai érvet terjesztett elő, ezt a tézist itt Turing tézisének nevezik. Ám ez a tézis, bár a hatékony módszerek birodalmára hivatkozik (vagyis bizonyos típusú eljárások birodalmára, amelyeket egy segítség nélküli ember is végrehajthat), nem érinti azokat az eljárásokat, amelyeket a gépek képesek végrehajtani, még "kifejezetten megfogalmazott szabályok" szerint sem. A gépi műveletek halmaza között lehetnek olyanok, amelyeket gépi segítséggel nem ellátott személy nem tud elvégezni [25] .
The Church-Turing-Deutsch tézisMásrészt, ha két további hipotézist állítunk fel (például a hiperszámításhoz mindig valódi végtelenekre van szükség; a fizikában nincsenek valódi végtelenek), akkor a kapott kombinált elv szükségszerűen illeszkedik a Turing által kifejtett keretek közé.
Ahogy D. Deutsch fogalmazott:
Most már meg tudom fogalmazni a Church-Turing-elv fizikai változatát: "Minden véges fizikai rendszer, amely megérthető, teljesen szimulálható egy univerzális, véges módszerekkel működő modellszámítógéppel." Ez a megfogalmazás határozottabb és fizikaibb, mint a Turing által javasolt [26] .
Ezt a kombinált hipotézist néha "erős Church-Turing-tézisnek" vagy Church-Turing-Deutch-tézisnek nevezik .
A digitális fizika kritikusai, köztük a kvantummechanika területén dolgozó fizikusok , számos okból kifogásolják.[ mi? ] .
A fizikai szimmetriák folytonosságaiAz egyik kifogás az, hogy a digitális fizika jelenlegi modelljei nem kompatibilisek a fizikai szimmetriák bizonyos folytonos tulajdonságainak létezésével , mint például a forgási és transzlációs térszimmetriák , a Lorentz-szimmetriák és az elektrogyenge szimmetriák , amelyek központi szerepet játszanak a létező fizikai elméletben.
A digitális fizika hívei azt állítják, hogy az ilyen folytonos szimmetriák csak kényelmes (és meglehetősen jó) közelítései a diszkrét valóságnak. Például a természetes mértékegységrendszerekhez vezető érvelés és az a következtetés, hogy a Planck-hossz a legkisebb értelmes hosszegység, azt sugallja, hogy bizonyos szinten maga a tér is kvantált [27] .