Digitální fyzika ve fyzice a kosmologii je soubor teoretických pohledů založených na výkladu, že vesmír je v podstatě informace , a proto je vyčíslitelný . Z této myšlenky vyplývá, že Vesmír lze chápat jako výsledek činnosti nějakého počítačového programu nebo jako nějaké digitální výpočetní zařízení (nebo alespoň zařízení matematicky izomorfní s takovým zařízením).
Digitální fyzika je založena na jedné nebo více z následujících hypotéz (uvedených v pořadí podle rostoucí smělosti předpokladů). Vesmír nebo realita :
Každý počítač musí být kompatibilní s principy teorie informace , statistické termodynamiky a kvantové mechaniky . Zásadní spojení mezi těmito obory navrhl Edwin Jaynes ve dvou pracích ze statistické mechaniky [1] [2] . Kromě toho Jaynes pečlivě vyvinul výklad teorie pravděpodobnosti jako zobecnění aristotelské logiky , dobře se hodící ke spojení základní fyziky a digitálních počítačů , protože jsou navrženy k provádění operací klasické logiky a algebry logiky [3] .
Hypotézu, že vesmír je digitální počítač, poprvé předložil Konrad Zuse v knize Rechnender Raum („ Computational space"). Termín „digitální fyzika“ použil Edward Fredkin, který později dal přednost termínu „digitální filozofie“ [4] . Mezi ty, kteří viděli vesmír jako obří počítač, byli Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] a nositel Nobelovy ceny Gerard't Hooft [7] . Tito autoři věřili, že zjevně pravděpodobnostní povaha kvantové fyziky není nutně neslučitelná s myšlenkou vyčíslitelnosti. Kvantovou verzi digitální fyziky nedávno navrhli Seth Lloyd [8] , David Deutsch a Paola Zizzi[9] .
Podobné myšlenky jsou proto-alternativní teorie Carla Friedricha von Weizsäckera , pancomputationalism, výpočetní teorie vesmíru, teorie „věci z informace“ ( to z bitu ) Johna Wheelera a hypotéza matematického vesmíru Maxe Tegmarka („ Fite Ensemble “) .
Digitální fyzika naznačuje, že existuje – alespoň v principu – program , který počítá vývoj vesmíru v reálném čase. Tento počítač by mohl být například obří celulární automat (Zuse 1967 ) nebo univerzální Turingův stroj , jak navrhuje Schmidhuber (1997 ). Upozornili na fakt, že existuje velmi krátký program, který dokáže asymptoticky optimálním způsobem vypočítat všechny možné spočítatelné vesmíry.
Došlo k pokusům identifikovat jednotlivé fyzické částice s bity . Pokud například elementární částice , jako je elektron , přejde z jednoho kvantového stavu do druhého, lze to považovat za změnu hodnoty bitu, například z 0 na 1. Jediný bit stačí k popisují jeden kvantový přechod dané částice. Protože se zdá, že vesmír je složen z elementárních částic, jejichž chování lze zcela popsat jejich kvantovými přechody, předpokládá se, že jej lze zcela popsat pomocí kousků informací. Každý stav je informační a každá změna stavu je změnou informace (vyžaduje manipulaci s jedním nebo více bity). Pomineme -li temnou hmotu a temnou energii , které jsou v současné době špatně pochopeny, známý vesmír se skládá z přibližně 1080 protonů a přibližně stejného počtu elektronů. Z toho vyplývá, že vesmír lze simulovat na počítači schopném uložit a manipulovat s 1090 bity. Pokud taková simulace skutečně proběhne, pak jsou super-Turingovy výpočty nemožné.
Smyčková kvantová gravitace podporuje digitální fyziku v tom, že považuje časoprostor za kvantizovatelný. Paola Zizzi artikulovala úvahu o této myšlence v tom, co se nazývá „výpočetní smyčková kvantová gravitace“ [ 10 ] [11] . Další teorie, které kombinovaly aspekty digitální fyziky se smyčkovou kvantovou gravitací, předložili Annalize Marzuioli a Mario Rasetti [12] [13] a Florian Girelli a Etera Livin [14] .
Teorie proto-alternativ fyzika Carla Friedricha von Weizsackera byla poprvé představena v Einheit der Natur (Jednota přírody; 1971; přeloženo do angličtiny v roce 1980 jako Jednota přírody ) a následně rozvinuta v Zeit und Wissen (Čas a poznání). , 1992). Tato teorie je druhem digitální fyziky, protože axiomaticky předpokládá, že kvantový svět se skládá z rozdílu mezi empiricky pozorovanými binárními alternativami. Weizsäcker použil svou teorii ke stanovení trojrozměrnosti prostoru a k odhadu entropie protonu padajícího do černé díry .
Pancomputationalism (také pancomputationalism , natural computingism ) je pohled na Vesmír jako na velký výpočetní stroj, respektive síť výpočetních procesů, která ze současného stavu vypočítává další stav základních fyzikálních zákonů (dynamicky se vyvíjí) [15] .
Po Jaynese a Weizsäckerovi fyzik John Wheeler napsal:
Není nerozumné si představit, že informace sídlí v jádru fyziky stejným způsobem, jako sídlí v jádru počítače.
Všechno z bitu [ It from bit ]. Jinými slovy, vše, co existuje – každá částice, každé silové pole, dokonce i samotné časoprostorové kontinuum – odvozuje svou funkci, svůj význam a nakonec i samotnou existenci – i když v některých situacích ne přímo – z odpovědí, které jsme získali. pomocí fyzických zařízení na otázky, které vyžadují odpověď „ano“ nebo „ne“, z binárních alternativ, z bitů. „Vše od úderu“ symbolizuje myšlenku, že každý předmět a událost fyzického světa má ve svém základu – ve většině případů na velmi hlubokém základu – nehmotný zdroj a vysvětlení; to, co nazýváme realitou, nakonec vyrůstá z kladení otázek „ano-ne“ a registrace odpovědí na ně pomocí zařízení; zkrátka všechny fyzické entity jsou v podstatě informačně teoretické a že Vesmír ke své existenci potřebuje naši účast (viz Antropický princip ).
David Chalmers z Australské národní univerzity shrnul Wheelerovy názory takto:
Wheeler (1990) navrhl, že informace jsou základem fyziky vesmíru. Podle této doktríny „všechno od kousku“ mohou být fyzikální zákony vyjádřeny jako informace prosazující různé stavy, které dávají vzniknout různým účinkům, aniž by ve skutečnosti vysvětlovaly, co tyto stavy jsou. Důležitá je pouze jejich pozice v informačním prostoru. Pokud ano, pak jsou informace také přirozeným kandidátem na roli v základní teorii vědomí. Dospěli jsme k pojetí reality, podle kterého je informace skutečně fundamentální a podle které má dva základní aspekty, odpovídající fyzické a vnímané stránce reality. [16] [17]
Christopher Langan také posílil Wheelerovy názory ve své epistemologické metateorii :
Budoucnost teorie reality podle Johna Wheelera:
V roce 1979 slavný fyzik John Wheeler, který vyvinul neologismus „černá díra“, jej dobře filozoficky využil v názvu výzkumné práce „Beyond the Black Hole“, ve které popisuje vesmír jako samovzrušující obvod. Součástí díla je ilustrace, na níž je jedna část velkého U, zřejmě znamenající Vesmír, vybavena velkým a vysoce inteligentním okem, které upřeně hledí na druhou stranu, kterou zřejmě ovládá pozorováním jako smyslovou informací. Podle svého umístění oko znamená smyslový nebo kognitivní aspekt reality, možná i lidského pozorovatele uvnitř Vesmíru, zatímco cíl vnímání oka představuje informační aspekt reality. Díky těmto dodatečným aspektům se zdá, že vesmír může být v určitém smyslu, ale ne nutně v běžném zvyku, popsán jako „vědomý“ a „introspektivní“...možná dokonce „infokognitivní“. [osmnáct]
Zdá se, že první formální prezentace myšlenky, že informace je možná základní veličinou v jádru fyziky, pochází od Fredericka Cantora, fyzika z Kolumbijské univerzity . Kantorova kniha Informační mechanika ( Wiley-Interscience , 1977) tuto myšlenku podrobně rozvíjí, avšak bez matematické přísnosti.
Nejtěžším úkolem ve Wheelerově programu zkoumat digitální rozklad fyzické existence v jednotné fyzice byl podle jeho vlastních slov čas. V roce 1986 ve smuteční řeči pro matematika Hermanna Weyla prohlásil:
Ze všech pojmů ze světa fyziky klade čas největší odpor ke svržení ze světa ideálního kontinua do světa diskrétnosti, informací, bitů... Ze všech překážek úplného pochopení základů bytí žádná rýsuje se na obzoru stejně strašně jako „čas“. Vysvětlit čas? Nemožné bez vysvětlení bytí. Odhalit hluboké a skryté spojení mezi časem a bytím... je úkolem budoucnosti [19] .
Australský filozof-fenomenolog Michael Elder k tomu řekl:
Antinomie mezi kontinuem a časem ve vztahu k otázce bytí... podle Wheelera je příčinou úzkosti, která zpochybňuje budoucnost kvantové fyziky, způsobenou vůlí k moci nad pohybující se realitou, aby „... dosáhnout čtyř vítězství“ (tamtéž) ... A tak jsme se vrátili k problému „chápání kvantovosti jako založeného na velmi jednoduché a – když tomu rozumíme – zcela zjevné myšlence“ (tamtéž), z níž plyne časové kontinuum lze odvodit. Jen tak mohla být uspokojena vůle k matematicky vyčíslitelné moci nad dynamikou, tedy pohybem v čase, bytí jako celku. [20] [21]
Ne každý informační přístup k fyzice (nebo ontologii ) je nutně digitální. Podle Luciana Florodiho [22] je „informační strukturální realismus“ variantou strukturálního realismu , která si zachovává ontologický závazek ke světu sestávajícímu z úplnosti informačních objektů, které spolu dynamicky interagují. Takovéto informační objekty by měly být chápány jako přesvědčivé prostředky.
Digitální ontologie a pancomputationalism jsou také nezávislé. Zejména J. Wheeler hájil první, ale neřekl nic o druhém.
Na jedné straně pancomputationalists jako Lloyd (2006 ), který navrhl vesmír jako kvantový počítač , může stále podporovat analogovou nebo hybridní ontologii; na druhé straně informační ontologové jako Sayre a Floridi nepřijímají ani digitální ontologii, ani pancomputationalistickou pozici [23] .
Počítačová věda je založena na konceptu Turingova stroje , imaginárního výpočetního stroje, který poprvé popsal Alan Turing v roce 1936. Church-Turingova teze přes svou jednoduchost předpokládá, že Turingův stroj dokáže vyřešit jakýkoli „správný“ problém (v informatice je problém považován za „řešitelný“, pokud jej lze vyřešit principiálně, tedy v konečném čase, který není nutně konečný čas důležitý pro lidi). Turingův stroj proto stanoví základní „horní hranici“ výpočetního výkonu, na rozdíl od možností, které dávají hypotetické hyperpočítače .
Princip výpočetní ekvivalence Stephena Wolframa ospravedlňuje digitální přístup. Pokud je tento princip pravdivý, znamená to, že vše lze spočítat jedním v podstatě jednoduchým strojem, implementací celulárního automatu . To je jeden ze způsobů, jak naplnit tradiční cíl fyziky: hledání jednoduchých zákonů a mechanismů pro celou přírodu.
Digitální fyzika je falsifikovatelná tím, že méně výkonná třída kalkulaček nemůže simulovat výkonnější třídu. Pokud je tedy náš vesmír gigantickou simulovanou realitou , tato simulace běží na počítači přinejmenším tak silném jako Turingův stroj. Pokud se lidstvu podaří postavit hyperpočítač, pak to bude znamenat, že Turingův stroj nemá dostatek výkonu na simulaci vesmíru.
Klasická Churchova-Turingova teze vyžaduje, aby jakákoliv kalkulačka ekvivalentní výkonem Turingovu stroji mohla v zásadě spočítat cokoli, co dokáže spočítat člověk, pokud má dostatek času. Důkladnější verze, nepřipisovaná Churchovi nebo Turingovi [24] , vyžaduje, aby univerzální Turingův stroj byl schopen spočítat cokoli, což vyžaduje nemožnost stavby „Turingova superstroje“ nazývaného hyperpočítač. Ale limity praktického počítání jsou dány fyzikou, nikoli informatikou:
Turing neukázal, že jeho stroje dokážou vyřešit jakýkoli problém, který lze vyřešit „instrukcemi, výslovně uvedenými pravidly nebo postupy“, ani neprokázal, že univerzální Turingův stroj „dokáže vypočítat jakoukoli funkci, kterou dokáže spočítat jakýkoli počítač jakékoli architektury“. Dokázal, že jeho univerzální Turingův stroj dokáže vypočítat jakoukoli funkci, kterou by mohl spočítat jakýkoli Turingův stroj; a on předložil filozofický argument na podporu tohoto, teze zde nazývaná Turingova teze. Ale tato teze, i když odkazuje na oblast účinných metod (tedy oblast určitých druhů procedur, které může vykonávat člověk bez pomoci), neovlivňuje procedury, které mohou provádět stroje, a to ani podle „explicitně formulovaných pravidel“. Mezi souborem strojních operací mohou být ty, které nemůže provádět žádná osoba, která nemá k dispozici stroje [25] .
Práce Church-Turing-DeutschNa druhou stranu, pokud jsou vytvořeny dvě další hypotézy (např. hypercomputing vždy vyžaduje opravdová nekonečna; ve fyzice žádná opravdová nekonečna neexistují), pak výsledný kombinovaný princip nutně zapadá do Turingova stanoveného rámce.
Jak řekl D. Deutsch:
Nyní mohu formulovat fyzikální verzi Churchova-Turingova principu: "Každý konečný fyzikální systém, kterému lze porozumět, může být plně simulován univerzálním modelovým výpočetním strojem pracujícím s konečnými metodami." Tato formulace je jednoznačnější a fyzikálnější než formulace navržená Turingem“ [26] .
Tato kombinovaná hypotéza se někdy nazývá „silná Church-Turingova teze“ nebo Church-Turing-Deutchova teze .
Kritici digitální fyziky, včetně fyziků pracujících v oblasti kvantové mechaniky , proti tomu namítají z mnoha důvodů.[ co? ] .
Spojitosti fyzikálních symetriíJednou námitkou je, že současné modely digitální fyziky jsou neslučitelné s existencí některých spojitých vlastností fyzikálních symetrií , jako jsou rotační a translační prostorové symetrie, Lorentzovy symetrie a elektroslabé symetrie , které jsou ústřední pro existující fyzikální teorii.
Zastánci digitální fyziky tvrdí, že takové spojité symetrie jsou jen pohodlné (a docela dobré) aproximace diskrétní reality. Například úvahy vedoucí k soustavám přírodních jednotek a závěr, že Planckova délka je nejmenší smysluplnou jednotkou délky, naznačuje, že na určité úrovni je kvantován i samotný prostor [27] .