Digitaalinen fysiikka fysiikassa ja kosmologiassa on joukko teoreettisia näkemyksiä, jotka perustuvat tulkintaan, jonka mukaan maailmankaikkeus on pohjimmiltaan tietoa ja siksi laskettavissa . Tästä ajatuksesta seuraa, että universumi voidaan ymmärtää jonkin tietokoneohjelman toiminnan tuloksena tai jonkinlaisena digitaalisena laskentalaitteena (tai ainakin sellaisen laitteen kanssa matemaattisesti isomorfisena laitteena).
Digitaalinen fysiikka perustuu yhteen tai useampaan seuraavista hypoteeseista (lueteltu oletusten lisääntyvän rohkeuden mukaan). Universumi tai todellisuus :
Jokaisen tietokoneen tulee olla yhteensopiva informaatioteorian , tilastollisen termodynamiikan ja kvanttimekaniikan periaatteiden kanssa . Edwin Jaynes ehdotti perustavanlaatuista yhteyttä näiden kenttien välillä kahdessa tilastomekaniikan teoksessa [1] [2] . Lisäksi Jaynes kehitti huolellisesti tulkinnan todennäköisyysteoriasta aristotelilaisen logiikan yleistyksenä , joka soveltuu hyvin perustavan fysiikan ja digitaalisten tietokoneiden yhdistämiseen , koska ne on suunniteltu suorittamaan klassisen logiikan ja logiikan algebran operaatioita [3] .
Hypoteesin, että maailmankaikkeus on digitaalinen tietokone, esitti ensimmäisenä Konrad Zuse kirjassaan Rechnender Raum (" Laskennallinen avaruus"). Termiä "digitaalinen fysiikka" käytti Edward Fredkin, joka myöhemmin piti parempana termiä "digitaalinen filosofia" [4] . Niiden joukossa, jotka pitivät maailmankaikkeutta jättiläistietokoneena, olivat Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] ja Nobel -palkittu Gerard 't Hooft [7] . Nämä kirjoittajat uskoivat, että kvanttifysiikan ilmeinen todennäköisyys ei välttämättä ole ristiriidassa laskettavuuden ajatuksen kanssa. Seth Lloyd [8] , David Deutsch ja Paola Zizzi ovat äskettäin ehdottaneet kvanttiversiota digitaalisesta fysiikasta.[9] .
Samanlaisia ajatuksia ovat Carl Friedrich von Weizsäckerin proto-vaihtoehtoteoria, pancomputationalismi, universumin laskennallinen teoria, John Wheelerin "informaatiosta" ( it bitistä ) peräisin oleva teoria ja Max Tegmarkin matemaattinen universumihypoteesi (" Finite Ensemble ") .
Digitaalinen fysiikka ehdottaa, että on olemassa - ainakin periaatteessa - ohjelma , joka laskee maailmankaikkeuden kehityksen reaaliajassa. Tämä tietokone voisi olla esimerkiksi jättiläinen soluautomaatti (Zuse 1967 ) tai universaali Turingin kone , kuten Schmidhuber ( 1997 ) ehdotti ). He kiinnittivät huomiota siihen, että on olemassa hyvin lyhyt ohjelma, joka voi laskea kaikki mahdolliset laskettavat universumit asymptoottisesti optimaalisella tavalla.
Yksittäisiä fyysisiä hiukkasia on yritetty tunnistaa biteillä . Esimerkiksi, jos alkuainehiukkanen , kuten elektroni , siirtyy kvanttitilasta toiseen, niin tätä voidaan pitää bitin arvon muutoksena, esimerkiksi 0:sta 1:een. Yksi bitti riittää kuvaile tietyn hiukkasen yksittäistä kvanttisiirtymää. Koska maailmankaikkeus näyttää koostuvan alkeishiukkasista, joiden käyttäytyminen voidaan täysin kuvata niiden kvanttisiirtymillä, se voidaan viitata siihen, että se voidaan kuvata täydellisesti käyttämällä informaatiobittejä. Jokainen tila on informatiivinen ja jokainen tilamuutos on tiedon muutos (vaatii yhden tai useamman bitin manipuloinnin). Jättäen sivuun pimeän aineen ja pimeän energian , joita tällä hetkellä ymmärretään huonosti, tunnettu maailmankaikkeus koostuu noin 1080 protonista ja suunnilleen samasta määrästä elektroneja. Tästä seuraa, että maailmankaikkeutta voidaan simuloida tietokoneella, joka pystyy tallentamaan ja käsittelemään 1090 bittiä. Jos tällainen simulaatio todella tapahtuu, super-Turing-laskelmat ovat mahdottomia.
Loop-kvanttigravitaatio tukee digitaalista fysiikkaa siinä mielessä, että se pitää aika-avaruutta kvantisoitavana. Paola Zizzi kiteytti pohdinnan tästä ideasta niin sanotussa "laskentasilmukassa kvanttigravitaatiossa" [ 10 ] [11] . Muita teorioita, jotka yhdistävät digitaalisen fysiikan näkökohdat silmukan kvanttipainovoimaan, ovat kehittäneet Annalise Marzuioli ja Mario Rasetti [12] [13] sekä Florian Girelli ja Etera Livin [14] .
Fyysikko Carl Friedrich von Weizsackerin proto-vaihtoehtojen teoria esiteltiin ensimmäisen kerran teoksessa Einheit der Natur (Luonnon yhtenäisyys; 1971; käännetty englanniksi vuonna 1980 nimellä The Unity of Nature ) ja kehitettiin myöhemmin teoksessa Zeit und Wissen (Aika ja kognitio) .; 1992). Tämä teoria on eräänlaista digitaalista fysiikkaa, koska se olettaa aksiomaattisesti , että kvanttimaailma koostuu erosta empiirisesti havaittujen binäärivaihtoehtojen välillä. Weizsäcker käytti teoriaansa määrittääkseen avaruuden kolmiulotteisuuden ja arvioidakseen mustaan aukkoon putoavan protonin entropian .
Pancomputationalismi (myös pancomputationalismi , luonnollinen computingism ) on näkemys maailmankaikkeudesta suurena laskentakoneena tai pikemminkin laskennallisten prosessien verkostona, joka laskee fysikaalisten peruslakien seuraavan tilan (kehittyy dynaamisesti) nykytilasta [15] .
Jaynesin ja Weizsäckerin jälkeen fyysikko John Wheeler kirjoitti:
Ei ole kohtuutonta kuvitella, että informaatio on fysiikan ytimessä samalla tavalla kuin tietokoneen ytimessä .
Kaikki bitiltä [ It from bit ]. Toisin sanoen kaikki olemassa oleva - jokainen hiukkanen, jokainen voimakenttä, jopa itse aika-avaruuden jatkumo - saa tehtävänsä, merkityksensä ja viime kädessä koko olemassaolonsa - vaikka joissain tilanteissa ei suoraankaan - saamistamme vastauksista. fyysisten laitteiden avulla kysymyksiin, jotka vaativat vastausta "kyllä" tai "ei", binäärivaihtoehdoista, bitteistä. "Kaikki lyönnistä" symboloi ajatusta, että fyysisen maailman jokaisen esineen ja tapahtuman perustana on - useimmissa tapauksissa erittäin syvällä - aineeton lähde ja selitys; se, mitä kutsumme todellisuudeksi, kasvaa lopulta "kyllä-ei" -kysymysten esittämisestä ja vastausten rekisteröinnistä laitteiden avulla; Lyhyesti sanottuna kaikki fyysiset olennot ovat pohjimmiltaan informaatioteoreettisia ja että universumi tarvitsee osallistumistamme olemassaoloonsa (katso antrooppinen periaate ).
David Chalmers Australian National Universitystä tiivisti Wheelerin näkemykset seuraavasti:
Wheeler (1990) ehdotti, että tieto on olennaista maailmankaikkeuden fysiikassa. Tämän "kaikki vähän" -doktriinin mukaan fysiikan lait voidaan ilmaista tiedolla, joka väittää erilaisia tiloja, jotka aiheuttavat erilaisia vaikutuksia, selittämättä itse asiassa, mitä nämä tilat ovat. Vain heidän asemansa tietotilassa on tärkeä. Jos näin on, tieto on myös luonnollinen ehdokas rooliin tietoisuuden perustavanlaatuisessa teoriassa. Olemme tulleet todellisuuskäsitykseen, jonka mukaan tieto on todella perustavaa ja jonka mukaan sillä on kaksi peruspuolta, jotka vastaavat todellisuuden fyysistä ja havaittua puolta. [16] [17]
Christopher Langan vahvisti myös Wheelerin näkemyksiä epistemologisessa metateoriassaan :
Todellisuusteorian tulevaisuus John Wheelerin mukaan:
Vuonna 1979 kuuluisa fyysikko John Wheeler, joka oli kehittänyt neologismin "musta aukko", käytti sitä hyvässä filosofisessa tutkimuksessaan otsikossa "Beyond the Black Hole", jossa hän kuvailee maailmankaikkeutta itsestään kiihtyvänä piirinä. Teoksessa on kuva, jossa yksi osa isosta U:sta, ilmeisesti tarkoittaen Universumia, on varustettu suurella ja erittäin älykkäällä silmällä, joka katselee tarkasti toista puolta, jonka hän ilmeisesti hallitsee havainnoimalla aistitietona. Silmä tarkoittaa sijaintinsa mukaan todellisuuden aistillista tai kognitiivista puolta, ehkä jopa ihmistarkkailijaa maailmankaikkeuden sisällä, kun taas silmän havaintokohde edustaa todellisuuden informaatiopuolta. Näiden lisänäkökohtien ansiosta näyttää siltä, että universumia voidaan jossain mielessä, mutta ei välttämättä yleisessä käytössä, kuvailla "tietoiseksi" ja "introspektiiviseksi"...ehkä jopa "infokognitiiviseksi". [kahdeksantoista]
Ilmeisesti ensimmäinen muodollinen esitys ajatukselle, että tieto on kenties fysiikan perustavanlaatuinen määrä, on peräisin Frederick Cantorilta, Columbian yliopiston fyysikolta . Kantorin kirja Information Mechanics ( Wiley-Interscience , 1977) kehittää tätä ajatusta yksityiskohtaisesti, mutta ilman matemaattista kurinalaisuutta.
Vaikein tehtävä Wheelerin ohjelmassa tutkia fyysisen olemassaolon digitaalista hajoamista yhtenäisessä fysiikassa, hänen omien sanojensa mukaan, oli aika. Vuonna 1986 hän julisti ylistyspuheessaan matemaatikko Hermann Weylille :
Kaikista fysiikan maailman käsitteistä aika tarjoaa suurimman vastuksen kaatua ihanteellisen jatkumon maailmasta diskreettisyyden, tiedon, bittien maailmaan... Kaikista olemisen perusteiden täydellisen ymmärtämisen esteistä ei ole yhtään. häämöttää horisontissa yhtä kauheasti kuin "aika". Selitä aika? Mahdotonta ilman olemisen selitystä. Ajan ja olemisen välisen syvän ja piilotetun yhteyden paljastaminen... on tulevaisuuden tehtävä [19] .
Australialainen filosofi-fenomenologi Michael Elder kommentoi tätä:
Jatkuvuuden ja ajan välinen antinomia suhteessa olemiskysymykseen... Wheelerin mukaan on syy kvanttifysiikan tulevaisuuden haastavaan ahdistukseen, joka johtuu sellaisenaan halusta hallita liikkuvaa todellisuutta, " saavuttaa neljä voittoa" (ibid.) ... Ja niin, palasimme ongelmaan "kvanttiuden ymmärtäminen perustuen hyvin yksinkertaiseen ja - kun ymmärrämme tämän - täysin ilmeisen idean" (ibid.), josta ajan jatkumo voidaan johtaa. Vain tällä tavalla voitaisiin tyydyttää tahto matemaattisesti laskettavaan dynamiikkaan, eli ajassa tapahtuvaan liikkeeseen, olemisen kokonaisuutena. [20] [21]
Jokainen informaatiolähestymistapa fysiikkaan (tai ontologiaan ) ei välttämättä ole digitaalista. Luciano Florodin [22] mukaan "informaation rakenteellinen realismi" on rakenteellisen realismin muunnelma , joka ylläpitää ontologista sitoutumista maailmaan, joka koostuu informaatioobjektien täydellisyydestä, jotka ovat dynaamisesti vuorovaikutuksessa keskenään. Tällaisia tietokohteita tulisi ymmärtää vakuuttavina etuina.
Digitaalinen ontologia ja pancomputationalismi ovat myös riippumattomia. Erityisesti J. Wheeler puolusti ensimmäistä, mutta ei sanonut mitään jälkimmäisestä.
Toisaalta pancomputationalistit, kuten Lloyd (2006 ), joka suunnitteli universumin kvanttitietokoneeksi , voi silti tukea analogista tai hybridi-ontologiaa; Toisaalta tietoontologit, kuten Sayre ja Floridi, eivät hyväksy digitaalista ontologiaa eivätkä pancomputationalistista kantaa [23] .
Tietojenkäsittelytiede perustuu Turingin koneen käsitteeseen, kuvitteelliseen laskentakoneeseen, jonka Alan Turing kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1936. Yksinkertaisuudestaan huolimatta Church-Turingin teesi olettaa, että Turingin kone pystyy ratkaisemaan minkä tahansa "oikean" ongelman (tietojenkäsittelytieteessä ongelmaa pidetään "ratkaistavana", jos se voidaan ratkaista periaatteessa, eli rajallisessa ajassa, joka ei välttämättä ole rajallinen aika, joka on tärkeä ihmisille). Siksi Turingin kone asettaa laskentatehon perustavanlaatuisen "ylärajan", toisin kuin hypoteettisten hypertietokoneiden tarjoamat mahdollisuudet .
Stephen Wolframin laskennallisen ekvivalenssin periaate oikeuttaa digitaalisen lähestymistavan. Tämä periaate, jos se on totta, tarkoittaa, että kaikki voidaan laskea yhdellä olennaisesti yksinkertaisella koneella, solukkoautomaatin toteutuksella . Tämä on yksi tapa saavuttaa fysiikan perinteinen tavoite: yksinkertaisten lakien ja mekanismien etsiminen koko luonnolle.
Digitaalinen fysiikka on väärennettävä sillä tosiasialla, että vähemmän tehokas laskinluokka ei voi simuloida tehokkaampaa luokkaa. Jos universumimme on siis jättimäinen simuloitu todellisuus , tämä simulaatio toimii tietokoneella, joka on vähintään yhtä tehokas kuin Turingin kone. Jos ihmiskunta onnistuu rakentamaan hypertietokoneen, tämä tarkoittaa, että Turingin koneella ei ole tarpeeksi tehoa simuloida maailmankaikkeutta.
Klassinen Church-Turingin opinnäytetyö edellyttää, että mikä tahansa teholtaan Turingin konetta vastaava laskin voisi periaatteessa laskea mitä tahansa, mitä ihminen pystyy laskemaan riittävällä ajalla. Tiukempi versio, jota ei liity Churchille tai Turingille [24] , vaatii, että universaali Turingin kone pystyy laskemaan mitä tahansa, mikä edellyttää "Turingin superkoneen" rakentamista, jota kutsutaan hypertietokoneeksi. Mutta käytännön tietojenkäsittelyn rajat asettaa fysiikka, ei tietojenkäsittelytiede:
Turing ei osoittanut, että hänen koneensa voisivat ratkaista mitään ongelmaa, joka voitaisiin ratkaista "ohjeilla, nimenomaisesti ilmaistuilla säännöillä tai menettelyillä", eikä hän osoittanut, että universaali Turingin kone "voi laskea minkä tahansa funktion, jonka mikä tahansa tietokone jollakin arkkitehtuurilla voi laskea". Hän osoitti, että hänen universaali Turing-koneensa pystyi laskemaan minkä tahansa funktion, jonka mikä tahansa Turingin kone pystyi laskemaan; ja hän esitti tämän tueksi filosofisen argumentin, teesin, jota tässä kutsutaan Turingin teesiksi. Mutta vaikka tämä opinnäytetyö viittaa tehokkaiden menetelmien maailmaan (eli tietynlaisten toimenpiteiden maailmaan, joita ihminen voi suorittaa ilman apua), se ei vaikuta toimenpiteisiin, joita koneet voivat suorittaa, edes "eksplisiittisesti muotoiltujen sääntöjen mukaan". Konetoimintojen joukossa voi olla sellaisia, joita ei voi suorittaa henkilö, jolla ei ole koneiden apua [25] .
Kirkko-Turing-Deutschin teesiToisaalta, jos tehdään kaksi lisähypoteesia (kuten hyperlaskenta vaatii aina todellisia äärettömiä; fysiikassa ei ole todellisia äärettömiä), niin tuloksena oleva yhdistetty periaate sopii välttämättä Turingin esittämään kehykseen.
Kuten D. Deutsch sanoi:
Voin nyt muotoilla fyysisen version Church-Turingin periaatteesta: "Jokainen äärellinen fyysinen järjestelmä, joka voidaan ymmärtää, voidaan täysin simuloida universaalilla mallinlaskentakoneella, joka toimii äärellisillä menetelmillä." Tämä muotoilu on tarkempi ja fysikaalisempi kuin Turingin ehdottama" [26] .
Tätä yhdistettyä hypoteesia kutsutaan joskus "vahvaksi Church-Turing-teesiksi" tai Church-Turing-Deutchin teesiksi .
Digitaalisen fysiikan kriitikot, mukaan lukien kvanttimekaniikan alalla työskentelevät fyysikot , vastustavat sitä useista syistä.[ mitä? ] .
Fysikaalisten symmetrioiden jatkuvuudetYksi vastalause on, että nykyiset digitaalisen fysiikan mallit eivät ole yhteensopivia joidenkin jatkuvien fysikaalisten symmetrioiden ominaisuuksien , kuten pyörimis- ja translaatioavaruussymmetrioiden , Lorentzin symmetrioiden ja sähköheikkojen symmetrioiden kanssa, jotka ovat keskeisiä olemassa olevassa fysikaalisessa teoriassa.
Digitaalisen fysiikan kannattajat väittävät, että tällaiset jatkuvat symmetriat ovat vain käteviä (ja melko hyviä) likiarvoja diskreetistä todellisuudesta. Esimerkiksi luonnollisten yksiköiden järjestelmiin johtava päättely ja johtopäätös, että Planckin pituus on pienin mielekäs pituusyksikkö, viittaa siihen, että jollain tasolla itse avaruus on kvantisoitu [27] .