Digital fysik i fysik och kosmologi är en uppsättning teoretiska synpunkter baserade på tolkningen att universum i huvudsak är information och därför är beräkningsbar . Det följer av denna idé att universum kan förstås som resultatet av driften av något datorprogram eller som någon form av digital datorenhet (eller åtminstone en enhet som matematiskt är isomorf till en sådan enhet).
Digital fysik är baserad på en eller flera av följande hypoteser (listade i ordning efter ökande djärvhet av antagandena). Universum eller verklighet :
Varje dator måste vara kompatibel med principerna för informationsteori , statistisk termodynamik och kvantmekanik . En grundläggande koppling mellan dessa områden föreslogs av Edwin Jaynes i två arbeten inom statistisk mekanik [1] [2] . Dessutom utvecklade Jaynes noggrant en tolkning av sannolikhetsteorin som en generalisering av aristotelisk logik , väl lämpad för att länka samman grundläggande fysik och digitala datorer , eftersom de är designade för att utföra operationerna av klassisk logik och logikens algebra [3] .
Hypotesen att universum är en digital dator framfördes först av Konrad Zuse i boken Rechnender Raum (" Computational space ""). Termen "digital fysik" användes av Edward Fredkin, som senare föredrog termen "digital filosofi" [4] . Bland dem som såg universum som en gigantisk dator fanns Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] och Nobelpristagaren Gerard 't Hooft [7] . Dessa författare trodde att kvantfysikens till synes sannolikhetliga natur inte nödvändigtvis är oförenlig med idén om beräkningsbarhet. En kvantversion av digital fysik har nyligen föreslagits av Seth Lloyd [8] , David Deutsch och Paola Zizzi[9] .
Liknande idéer är Carl Friedrich von Weizsäckers proto-alternativteori, pancomputationalism, beräkningsteorin om universum, John Wheelers "stuff from information" ( det från bit ) teori och Max Tegmarks matematiska universumhypotes (" Finit Ensemble ") .
Digital fysik antyder att det finns – åtminstone i princip – ett program som beräknar universums utveckling i realtid. Den här datorn kan till exempel vara en gigantisk cellulär automat (Zuse 1967 ) eller en universell Turing-maskin , som föreslagits av Schmidhuber (1997 ) ). De uppmärksammade att det finns ett mycket kort program som kan beräkna alla möjliga beräkningsbara universum på ett asymptotiskt optimalt sätt.
Det har gjorts försök att identifiera enskilda fysiska partiklar med bitar . Till exempel, om en elementarpartikel , såsom en elektron , går från ett kvanttillstånd till ett annat, kan detta betraktas som en förändring av värdet på en bit, till exempel från 0 till 1. En enda bit räcker för att beskriva en enskild kvantövergång för en given partikel. Eftersom universum verkar vara sammansatt av elementarpartiklar vars beteende helt kan beskrivas av deras kvantövergångar, antyds det att det kan beskrivas fullständigt med hjälp av informationsbitar. Varje tillstånd är informativt och varje tillståndsändring är en informationsändring (kräver manipulering av en eller flera bitar). Om man bortser från mörk materia och mörk energi , som för närvarande är dåligt förstådda, består det kända universum av cirka 1080 protoner och ungefär samma antal elektroner. Det följer att universum kan simuleras på en dator som kan lagra och manipulera 1090 bitar. Om en sådan simulering faktiskt äger rum, är super-Turing-beräkningar omöjliga.
Loop-kvantgravitation stöder digital fysik genom att den anser att rum-tid är kvantiserbar. Paola Zizzi artikulerade en reflektion över denna idé i vad som kallas "beräkningsslinga kvantgravitation" [ 10 ] [11] . Andra teorier som kombinerade aspekter av digital fysik med loopkvantgravitation har framförts av Annalise Marzuioli och Mario Rasetti [12] [13] och Florian Girelli och Etera Livin [14] .
Teorin om protoalternativ av fysikern Carl Friedrich von Weizsacker presenterades först i Einheit der Natur (The Unity of Nature; 1971; översatt till engelska 1980 som The Unity of Nature ) och utvecklades därefter i Zeit und Wissen (Time and Cognition) .; 1992). Denna teori är ett slags digital fysik, eftersom den axiomatiskt antar att kvantvärlden består av en skillnad mellan empiriskt observerade binära alternativ. Weizsäcker använde sin teori för att fastställa rymdens tredimensionalitet och för att uppskatta entropin hos en proton som faller in i ett svart hål .
Pancomputationalism (även pancomputationalism , natural computingism ) är en syn på universum som en stor datormaskin, eller snarare ett nätverk av beräkningsprocesser som beräknar nästa tillstånd av grundläggande fysiska lagar (dynamiskt utvecklas) från det nuvarande tillståndet [15] .
Efter Jaynes och Weizsäcker skrev fysikern John Wheeler :
Det är inte orimligt att föreställa sig att information finns i fysikens kärna på samma sätt som den finns i en dators kärna .
Allt från biten [ It from bit ]. Med andra ord, allt som existerar - varje partikel, varje kraftfält, till och med rum-tidskontinuumet självt - hämtar sin funktion, sin mening och i slutändan sin existens - även om det i vissa situationer inte är direkt - från de svar som vi har tagit fram. med hjälp av fysiska enheter, till frågor som kräver svaret "ja" eller "nej", från binära alternativ, från bitar. "Allt från ett slag" symboliserar idén att varje objekt och händelse i den fysiska världen har till sin grund - i de flesta fall på en mycket djup grund - en immateriell källa och förklaring; det vi kallar verkligheten växer i slutändan ur att man ställer "ja-nej"-frågor och registrerar svaren på dem med hjälp av utrustning; kort sagt, alla fysiska entiteter är i grunden informationsteoretiska och att universum behöver vårt deltagande för sin existens (se Antropisk princip ).
David Chalmers från Australian National University sammanfattade Wheelers åsikter så här:
Wheeler (1990) föreslog att information är grundläggande för universums fysik. Enligt denna "allt från lite"-doktrin kan fysikens lagar uttryckas i termer av information som hävdar olika tillstånd som ger upphov till olika effekter, utan att egentligen förklara vad dessa tillstånd är. Endast deras position i informationsutrymmet är viktig. Om så är fallet, är information också en naturlig kandidat för en roll i en grundläggande teori om medvetande. Vi har kommit till en verklighetsuppfattning, enligt vilken information verkligen är grundläggande, och enligt vilken den har två grundläggande aspekter, motsvarande verklighetens fysiska och upplevda sidor. [16] [17]
Christopher Langan förstärkte också Wheelers åsikter i hans epistemologiska metateori :
The future of reality theory enligt John Wheeler:
År 1979 använde den berömda fysikern John Wheeler, efter att ha utvecklat neologismen "svarta hålet", den till god filosofisk användning i titeln på en forskningsartikel "Beyond the Black Hole", där han beskriver universum som en självspännande krets. Verket inkluderar en illustration där en del av ett stort U, som uppenbarligen betyder universum, är utrustad med ett stort och mycket intelligent öga, som blickar uppmärksamt på den andra sidan, som han tydligen bemästrar genom observation som sensorisk information. Enligt dess placering betyder ögat den sensoriska eller kognitiva aspekten av verkligheten, kanske till och med en mänsklig observatör inne i universum, medan ögats perceptionsmål representerar den informativa aspekten av verkligheten. Tack vare dessa ytterligare aspekter verkar det som om universum i någon mening, men inte nödvändigtvis i vanlig användning, kan beskrivas som "medvetet" och "introspektivt"...kanske till och med "infokognitivt". [arton]
Tydligen kommer den första formella presentationen av idén att information kanske är den grundläggande kvantiteten i fysikens kärna från Frederick Cantor, fysiker vid Columbia University . Kantors bok Information Mechanics ( Wiley-Interscience , 1977) utvecklar denna idé i detalj, men utan matematisk rigor.
Den svåraste uppgiften i Wheelers program att undersöka den digitala nedbrytningen av fysisk existens i enad fysik, med hans egna ord, var tiden. 1986, i en lovtal för matematikern Hermann Weyl , förkunnade han:
Av alla begrepp från fysikens värld erbjuder tiden det största motståndet mot att störta från världen med ett idealt kontinuum till en värld av diskrethet, information, bitar ... Av alla hinder för en fullständig förståelse av tillvarons grunder, ingen skymtar vid horisonten lika fruktansvärt som "tid". Förklara tiden? Omöjligt utan en förklaring till att vara. Att avslöja den djupa och dolda kopplingen mellan tid och vara... är en uppgift för framtiden [19] .
Den australiensiske filosofen-fenomenologen Michael Elder kommenterade detta:
Antinomin mellan kontinuum och tid i förhållande till frågan om att vara ... enligt Wheeler är orsaken till den ångest som utmanar kvantfysikens framtid, orsakad som den är av viljan att ha makt över en rörlig verklighet, att " uppnå fyra segrar" (ibid.) ... Och så återvände vi till problemet att "förstå kvantitet som baserat på en mycket enkel och - när vi förstår detta - helt uppenbar idé" (ibid.), från vilken tidskontinuumet kan härledas. Endast på detta sätt kunde viljan till matematiskt beräkningsbar makt över dynamiken, det vill säga rörelsen i tiden, hos varandet som helhet tillfredsställas. [20] [21]
Inte varje informationsinriktning till fysik (eller ontologi ) är nödvändigtvis digital. Enligt Luciano Florodi [22] är "informationsstrukturell realism" en variant av strukturell realism som upprätthåller ett ontologiskt engagemang för en värld bestående av en fullständighet av informationsobjekt som dynamiskt interagerar med varandra. Sådana informationsobjekt bör förstås som övertygande erbjudanden.
Digital ontologi och pancomputationalism är också oberoende. I synnerhet försvarade J. Wheeler den förra, men sa ingenting om den senare.
Å ena sidan pancomputationalists som Lloyd (2006 ), som designade universum som en kvantdator , kan fortfarande stödja en analog eller hybrid ontologi; å andra sidan accepterar informationsontologer som Sayre och Floridi varken digital ontologi eller den pancomputationalistiska positionen [23] .
Datavetenskap är baserad på konceptet en Turing-maskin , en imaginär datormaskin som först beskrevs av Alan Turing 1936. Trots sin enkelhet antar Church-Turing-avhandlingen att en Turing-maskin kan lösa vilket "korrekt" problem som helst (inom datavetenskap anses ett problem vara "lösbart" om det går att lösa i princip, det vill säga på en begränsad tid, vilket är inte nödvändigtvis en begränsad tid som är viktig för människor). Därför etablerar Turing-maskinen en grundläggande "övre gräns" för datorkraft, i motsats till de möjligheter som hypotetiska hyperdatorer ger .
Stephen Wolframs princip om beräkningslikvärdighet motiverar det digitala förhållningssättet. Denna princip, om den är sann, innebär att allt kan beräknas av en i huvudsak enkel maskin, en implementering av en cellulär automat . Detta är ett sätt att uppfylla fysikens traditionella mål: sökandet efter enkla lagar och mekanismer för hela naturen.
Digital fysik är falsifierbar av det faktum att en mindre kraftfull klass av miniräknare inte kan simulera en mer kraftfull klass. Således, om vårt universum är en gigantisk simulerad verklighet , körs denna simulering på en dator som är minst lika kraftfull som en Turing-maskin. Om mänskligheten lyckas bygga en hyperdator kommer detta att innebära att Turing-maskinen inte har tillräckligt med kraft för att simulera universum.
Den klassiska Church-Turing-avhandlingen kräver att vilken miniräknare som helst som i kraft motsvarar en Turing-maskin i princip skulle kunna beräkna allt som en människa kan beräkna, givet tillräckligt med tid. En mer rigorös version, som inte tillskrivs Church eller Turing [24] , kräver att en universell Turing-maskin kan beräkna vad som helst, vilket kräver omöjligheten att bygga en "Turing supermaskin" som kallas hyperdator. Men gränserna för praktisk datoranvändning sätts av fysiken, inte datavetenskapen:
Turing visade inte att hans maskiner kunde lösa något problem som kunde lösas med "instruktioner, explicit angivna regler eller procedurer", och han bevisade inte heller att en universell Turing-maskin "kan beräkna vilken funktion som helst som vilken dator som helst av vilken arkitektur som helst kan beräkna". Han bevisade att hans universella Turingmaskin kunde beräkna vilken funktion som helst som vilken Turingmaskin som helst kunde beräkna; och han förde fram ett filosofiskt argument till stöd för detta, en avhandling som här kallas Turings tes. Men denna tes, samtidigt som den hänvisar till sfären av effektiva metoder (det vill säga sfären av vissa typer av procedurer som en oassisterad människa kan utföra), påverkar inte procedurer som maskiner kan utföra, inte ens enligt "explicit formulerade regler". Bland uppsättningen av maskinoperationer kan det finnas sådana som inte kan utföras av någon person som inte försetts med hjälp av maskiner [25] .
The Church-Turing-Deutsch-avhandlingenÅ andra sidan, om två ytterligare hypoteser görs (som hyperdatorer kräver alltid sanna oändligheter; det finns inga sanna oändligheter i fysiken), så passar den resulterande kombinerade principen nödvändigtvis inom Turings angivna ram.
Som D. Deutsch uttryckte det:
Jag kan nu formulera en fysisk version av Church-Turing-principen: "Varje ändligt fysiskt system som kan förstås kan helt simuleras av en universell modellberäkningsmaskin som arbetar med ändliga metoder." Denna formulering är mer bestämd och mer fysisk än den som Turing föreslagit" [26] .
Denna kombinerade hypotes kallas ibland "den starka kyrka-Turing-avhandlingen" eller kyrka-Turing-Deutch-avhandlingen .
Kritiker av digital fysik, inklusive fysiker som arbetar inom området kvantmekanik , protesterar mot det av ett antal anledningar.[ vad? ] .
Kontinuiteter av fysiska symmetrierEn invändning är att nuvarande modeller för digital fysik är oförenliga med förekomsten av vissa kontinuerliga egenskaper hos fysiska symmetrier , såsom rotations- och translationsrymdsymmetrier , Lorentz-symmetrier och elektrosvaga symmetrier , som är centrala för existerande fysikalisk teori.
Förespråkare för digital fysik hävdar att sådana kontinuerliga symmetrier bara är bekväma (och ganska bra) approximationer av diskret verklighet. Till exempel, resonemanget som leder till system av naturliga enheter och slutsatsen att Plancklängden är den minsta meningsfulla längdenheten tyder på att, på någon nivå, är själva rymden kvantiserad [27] .