Цифровая физика - Digital physics

В физика и космология, цифровая физика представляет собой сборник теоретических перспектив, основанных на предпосылке, что вселенная описывается Информация. Это форма цифровая онтология о физической реальности. Согласно этой теории, Вселенную можно представить как результат детерминированный или вероятностный компьютерная программа, огромное цифровое вычислительное устройство или математический Изоморфизм к такому устройству.[1]

История

Операции компьютеры должны быть совместимы с принципами теория информации, статистическая термодинамика, и квантовая механика. В 1957 г. связь между этими областями была предложена Эдвин Джейнс.[2] Он разработал интерпретацию теория вероятности как обобщенный Аристотелевская логика, взгляд, связывающий фундаментальную физику с цифровые компьютеры, потому что они предназначены для реализации операции из классическая логика и, что то же самое, Булева алгебра.[3]

Гипотеза о том, что вселенная это цифровой компьютер был предложен Конрад Зузе в его книге Рехнендер Раум (переводится на английский как Расчет пространства ). Период, термин цифровая физика был нанят Эдвард Фредкин в 1978 г.,[4] кто позже предпочел термин цифровая философия.[5] Среди других, кто смоделировал Вселенную как гигантский компьютер, есть Стивен Вольфрам,[6] Юрген Шмидхубер,[1] и лауреат Нобелевской премии Жерар т Хофт.[7] Эти авторы считают, что вероятностный природа квантовая физика не обязательно несовместимо с понятием вычислимости. Квантовые версии цифровой физики недавно были предложены Сет Ллойд,[8] Паола Зицци,[9] и Антонио Скиарретта.[10]

Связанные идеи включают Карл Фридрих фон Вайцзеккер бинарная теория ур-альтернатив, панкомпутационализм, теория вычислительной вселенной, Джон Арчибальд Уиллер это "от бита", и Макс Тегмарк с совершенный ансамбль.

Обзор

Цифровая физика предполагает, что существует, по крайней мере в принципе, программа для универсальный компьютер который вычисляет эволюцию вселенная. Компьютер может быть, например, огромным клеточный автомат (Цузе 1967[1][11]) или универсальный Машина Тьюринга, как предположил Шмидхубер (1997[1]), который указал, что существует короткая программа, которая может вычислить все возможные вычислимые вселенные в асимптотически оптимальный путь.

Петлевая квантовая гравитация может оказать поддержку цифровой физике, поскольку предполагает, что пространство-время квантовано.[1] Паола Зицци сформулировал реализацию этой концепции в том, что стало называться «вычислительной петлевой квантовой гравитацией», или CLQG.[12][13] Другие теории, сочетающие аспекты цифровой физики с петлевой квантовой гравитацией, - это теории Марцуоли и Разетти.[14][15] и Джирелли и Ливин.[16]

Ур-альтернативы Вайцзеккера

Физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер с теория ур-альтернатив (теория архетипических объектов), впервые опубликованная в его книге Единство природы (1971),[17][18] дальнейшее развитие в 1990-х годах,[19][20][21] это разновидность цифровой физики, поскольку аксиоматически строит квантовую физику из различия между эмпирически наблюдаемыми бинарными альтернативами. Вайцзеккер использовал свою теорию для вывода трехмерности пространства и оценки энтропия из протон. В 1988 г. Гёрниц показал, что предположение Вайцзеккера может быть связано с энтропией Бекенштейна – Хокинга.[22]

Панкомпутационализм

Не путать с Вычислитель.
Смотрите также: Метафизический натурализм и Математика

Панкомпутационализм (также известен как натуралистический вычислительный подход)[23] - это точка зрения, согласно которой Вселенная представляет собой вычислительную машину или, скорее, сеть вычислительных процессов, которая, следуя фундаментальным физическим законам, вычисляет (динамически развивает) свое собственное следующее состояние из текущего.[24]

Вычислительная вселенная предлагается Юрген Шмидхубер в статье, основанной на диссертации Цузе 1967 года.[25] Он указал, что простое объяснение Вселенной было бы Машина Тьюринга запрограммирован 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 на основе Леонид Левин универсальный поисковый алгоритм (опубликован в 1973 г.).[26] 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 Колмогоровская сложность и концепция Супер Омег, которые являются вычислимыми предельно числами, которые даже более случайны (в определенном смысле), чем Григорий Чайтин число мудрости Омега.

Уилер "это от бит"

Вслед за Джейнсом и Вайцзеккером, физиком Джон Арчибальд Уиллер предложил "это из бита" Доктрина: информация лежит в основе физики, и каждое «оно», будь то частица или поле, происходит от наблюдений.[27][28][29]

В хвалебной речи 1986 года математику Герман Вейль Уиллер провозгласил: «Время, среди всех концепций в мире физики, оказывает величайшее сопротивление свержению с идеального континуума в мир дискретного, информации, битов ... Из всех препятствий на пути всестороннего проникновения. Что касается существования, то нет ничего страшнее «времени». Объяснить время? Не без объяснения существования. Объяснить существование? Не без объяснения времени. Раскрыть глубокую и скрытую связь между временем и существованием ... это задача будущего ».[30][31][32]

Цифровая и информационная физика

Не всякий информационный подход к физике (или онтология ) обязательно цифровой. Согласно с Лучано Флориди,[33] «информационный структурный реализм» - это вариант структурный реализм который поддерживает онтологическую приверженность миру, состоящему из совокупности информационных объектов, динамически взаимодействующих друг с другом. Такие информационные объекты следует понимать как ограничивающие возможности.

Панкомпьютеры, такие как Ллойд (2006), который моделирует Вселенную как квантовый компьютер, все еще может поддерживать аналоговую или гибридную онтологию; и информационные онтологи, такие как Кеннет Сейр и Флориди не придерживаются ни цифровой онтологии, ни панкомпьютерной позиции.[34]

Вычислительные основы

Машины Тьюринга

Основная статья: Машина Тьюринга

Тезис Черча – Тьюринга – Дойча

Классический Тезис Черча – Тьюринга утверждает, что любой компьютер столь же мощный, как Машина Тьюринга в принципе может вычислить все, что может вычислить человек, при наличии достаточного количества времени. Более того, Тьюринг показал, что существуют универсальные машины Тьюринга которые могут вычислить все, что может вычислить любая другая машина Тьюринга, - что они являются обобщаемыми машинами Тьюринга. Но пределы практических вычислений устанавливаются физика, а не теоретической информатикой:

«Тьюринг не показал, что его машины могут решить любую проблему, которая может быть решена« с помощью инструкций, явно заявленных правил или процедур », и не доказал, что универсальная машина Тьюринга« может вычислить любую функцию, которую может выполнять любой компьютер с любой архитектурой », Он доказал, что его универсальная машина может вычислить любую функцию, которую может вычислить любая машина Тьюринга; и он выдвинул и выдвинул философские аргументы в поддержку тезиса, названного здесь тезисом Тьюринга. Но тезис о масштабах эффективных методов - то есть относительно объема процедур определенного вида, которые может выполнять человек без помощи машин, - не имеет никакого значения, касающегося объема процедур, которые машины способны выполнять, даже если машины действуют в соответствии с ними. с «четко сформулированными правилами». Ибо в репертуаре атомных операций машины могут быть такие, которые ни один человек без помощи машины не сможет выполнить ».[35]

С другой стороны, модификация предположений Тьюринга делает привести практические вычисления в пределы Тьюринга; так как Дэвид Дойч кладет это:

«Теперь я могу сформулировать физическую версию принципа Чёрча – Тьюринга:« Каждый конечно Реализуемая физическая система может быть идеально смоделирована универсальной модельной вычислительной машиной, работающей на конечный средства.' Эта формулировка лучше определена и более физична, чем способ ее выражения Тьюрингом ".[36] (Курсив добавлен)

Эту сложную гипотезу иногда называют «сильным тезисом Черча – Тьюринга» или Принцип Черча – Тьюринга – Дойча. Он сильнее, потому что человек или машина Тьюринга, выполняющая вычисления с карандашом и бумагой (в условиях Тьюринга), является конечно реализуемой физической системой.

Экспериментальное подтверждение

Пока нет экспериментального подтверждения бинарной или квантованной природы Вселенной, которые являются основными для цифровой физики. Немногочисленные попытки, сделанные в этом направлении, включают эксперимент с голометр разработано Крейг Хоган, который, среди прочего, обнаружил бы битовую структуру пространства-времени.[37]Сбор данных в эксперименте начался в августе 2014 года.

Новый результат эксперимента, опубликованный 3 декабря 2015 года после года сбора данных, в значительной степени опроверг теорию Хогана о пиксельной Вселенной. Статистическая значимость (4,6 сигма). Исследование показало, что пространство-время не является квантованный в измеряемом масштабе.[38]

Критика

Физические симметрии непрерывны

Одно возражение заключается в том, что существующие модели цифровой физики несовместимы[нужна цитата ] с наличием нескольких непрерывных знаков физического симметрии, например, вращательная симметрия, поступательная симметрия, Симметрия Лоренца, а Группа Ли калибровочная инвариантность Теории Янга – Миллса, все это центральное место в современной физической теории.

Сторонники цифровой физики утверждают, что такие непрерывные симметрии являются лишь удобными (и очень хорошими) приближениями дискретной реальности. Например, рассуждения, приводящие к системам натуральные единицы и вывод, что Планковская длина минимальная значимая единица расстояния предполагает, что на каком-то уровне квантуется само пространство.[39]

Кроме того, компьютеры могут управлять формулами, описывающими действительные числа, и решать их, используя символьное вычисление, что избавляет от необходимости приближать действительные числа с помощью бесконечного числа цифр.

Число, в частности настоящий номер, один с бесконечным числом цифр - был определен Алан Тьюринг быть вычислимый если Машина Тьюринга продолжу 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 (в том числе квантовая механика и это непрерывные спектры ) очень насыщены действительные числа и математика континуум.

«Таким образом, обычные вычислительные описания не имеют количества состояний и траекторий в пространстве состояний, достаточного для их отображения на обычные математические описания естественных систем. Таким образом, с точки зрения строгого математического описания, тезис о том, что все является вычислением система в этом втором смысле не может поддерживаться ".[40]

Со своей стороны, Дэвид Дойч обычно занимает "мультивселенная «взгляд на вопрос 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 прямой - наблюдаемый переход между двумя значениями дискретной величины, они говорят нам, что переход не происходит полностью в пределах одной вселенной. Так что, возможно, цена непрерывного движения - это не бесконечность последовательных действий, а бесконечность одновременных действий происходящее через мультивселенную ». Январь 2001 г. "Дискретное и Непрерывное", сокращенная версия которого появилась в Приложение к The Times о высшем образовании.

Местонахождение

Некоторые утверждают, что существующие модели цифровой физики нарушают различные постулаты квантовая физика.[41] Например, если эти модели не основаны на Гильбертовы пространства и вероятностей, они относятся к классу теорий с локальными скрытые переменные 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 местности, сформулированной обычным образом в эмерджентной модели. пространство-время. Конкретный пример этого случая привел Ли Смолин.[42][указывать ] Другая возможность - это хорошо известная лазейка в Теорема Белла известный как супердетерминизм (иногда называемый предопределением).[43] В полностью детерминированной модели решение экспериментатора измерить определенные компоненты спинов предопределено. Таким образом, предположение, что экспериментатор мог решить измерить компоненты спинов, отличные от того, что он делал на самом деле, строго говоря, неверно.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Шмидхубер, Дж. "Компьютерные вселенные и алгоритмическая теория всего "; Взгляд компьютерного ученого на жизнь, Вселенную и все остальное.
  2. ^ Джейнс, Э. Т. (1957-05-15). «Теория информации и статистическая механика» (PDF). Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 106 (4): 620–630. Дои:10.1103 / Physrev.106.620. ISSN  0031-899X.
    Джейнс, Э. Т. (1957-10-15). «Теория информации и статистическая механика. II» (PDF). Физический обзор. Американское физическое общество (APS). 108 (2): 171–190. Дои:10.1103 / Physrev.108.171. ISSN  0031-899X.
  3. ^ Джейнс, Э. Т., 1990 г. "Теория вероятностей как логика, "in Fougere, P.F., ed., Максимум энтропии и байесовские методы. Бостон: Клувер.
  4. ^ 6.895 Цифровая физика, Список курсов MIT, 1978, http://simson.net/ref/1978/6.895%20Digital%20Physics/1978-01-17%20Digital%20Physics%20Lecture%20Outline.pdf
  5. ^ См. Фредкин Веб-сайт цифровой философии.
  6. ^ Новый вид науки интернет сайт.
  7. ^ Хоофт, Джерард (1999-09-07). «Квантовая гравитация как диссипативная детерминированная система». Классическая и квантовая гравитация. 16 (10): 3263–3279. arXiv:gr-qc / 9903084. Дои:10.1088/0264-9381/16/10/316. ISSN  0264-9381. S2CID  1554366.
  8. ^ Ллойд, С. "Вычислительная Вселенная: квантовая гравитация из квантовых вычислений. "
  9. ^ Зицци, Паола, "Пространство-время в масштабах Планка: взгляд на квантовом компьютере. "
  10. ^ Sciarretta, Антонио (2018). «Локально-реалистическая модель квантовой механики на основе дискретного пространства-времени». Основы физики. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 48 (1): 60–91. arXiv:1712.03227. Дои:10.1007 / s10701-017-0129-9. ISSN  0015-9018. S2CID  119385517.
  11. ^ Цузе, Конрад, 1967, Elektronische Datenverarbeitung vol 8., страницы 336–344
  12. ^ Зицци, Паола А. (21 марта 2005 г.). «Минимальная модель квантовой гравитации». Буквы A по современной физике. World Scientific Pub Co Pte Lt. 20 (9): 645–653. arXiv:gr-qc / 0409069. Дои:10.1142 / s021773230501683x. ISSN  0217-7323. S2CID  119097192.
  13. ^ Зицци, Паола, "Вычислимость в масштабах Планка. "
  14. ^ Марцуоли, Анналиса; Разетти, Марио (2002). «Квантовый симулятор спиновой сети». Письма о физике A. Elsevier BV. 306 (2–3): 79–87. arXiv:Quant-ph / 0209016. Дои:10.1016 / s0375-9601 (02) 01600-6. ISSN  0375-9601. S2CID  119625022.
  15. ^ Марцуоли, Анналиса; Разетти, Марио (2005). «Вычислительные спиновые сети». Анналы физики. 318 (2): 345–407. arXiv:Quant-ph / 0410105. Дои:10.1016 / j.aop.2005.01.005. ISSN  0003-4916. S2CID  14215814.
  16. ^ Джирелли, Флориан; Ливин, Этера Р. (26 июля 2005 г.). «Реконструкция квантовой геометрии из квантовой информации: спиновые сети как гармонические осцилляторы». Классическая и квантовая гравитация. 22 (16): 3295–3313. arXiv:gr-qc / 0501075. Дои:10.1088/0264-9381/22/16/011. ISSN  0264-9381. S2CID  119517039.
  17. ^ фон Вайцзеккер, Карл Фридрих (1971). Die Einheit der Natur. München: Hanser. ISBN  978-3-446-11479-1.
  18. ^ фон Вайцзеккер, Карл Фридрих (1980). Единство природы. Нью-Йорк: Фаррар, Штраус и Жиру.
  19. ^ фон Вайцзеккер, Карл Фридрих (1985). Aufbau der Physik (на немецком). Мюнхен. ISBN  978-3-446-14142-1.
  20. ^ фон Вайцзеккер, Карл Фридрих (2006). Структура физики (Гёрниц, Томас; Лира, изд. Хольгера). Гейдельберг: Springer. С. XXX, 360. ISBN  978-1-4020-5234-7.
  21. ^ фон Вайцзеккер, Карл Фридрих (1992). Zeit und Wissen (на немецком).
  22. ^ Гёрниц, Томас (1988). "Абстрактная квантовая теория и структура пространства-времени I. Теория Ура и энтропия Бекенштейна-Хокинга". Международный журнал теоретической физики. 27 (5): 527–542. Bibcode:1988IJTP ... 27..527G. Дои:10.1007 / BF00668835. S2CID  120665646.
  23. ^ Гордана Додиг-Црнкович, «Информационно-вычислительная философия природы: информационная вселенная с вычислительной динамикой» (2011).
  24. ^ Статьи о панкомпутационализме на philpapers.org
  25. ^ Тезис Цузе
  26. ^ Левин, Леонид (1973). «Универсальные задачи перебора, Универсальные переборные задачи». Проблемы передачи информации (Русский: Проблемы передачи информации, Проблемы передачи информации). 9 (3): 115–116. (pdf)
  27. ^ Уилер, Джон Арчибальд; Форд, Кеннет (1998). Геоны, черные дыры и квантовая пена: жизнь в физике. W. W. Norton & Company ISBN  0-393-04642-7.
  28. ^ Уилер, Джон А. (1990). «Информация, физика, квант: поиск ссылок». В Журеке Войцех Губерт. Сложность, энтропия и физика информации. Эддисон-Уэсли. ISBN  9780201515091. OCLC 21482771
  29. ^ Чалмерс, Дэвид. J., 1995, "Столкнувшись с трудной проблемой сознания ", Журнал исследований сознания 2 (3): 200–19. Эта статья цитирует Джона А. Уиллера (1990). op. соч. Также см. Chalmers, D., 1996. Сознательный разум. Oxford University Press.
  30. ^ Уилер, Джон Арчибальд, 1986 г. "Герман Вейль и единство знаний ", Американский ученый, 74: 366-375.
  31. ^ Элдред, Майкл, 2009 г. 'Постскриптум 2: Нападение квантовой физики на время '
  32. ^ Элдред, Майкл, 2009, Цифровой образ бытия: метафизика, математика, картезианство, кибернетика, капитализм, коммуникация Онтс, Франкфурт 2009 137 стр. ISBN  978-3-86838-045-3
  33. ^ Флориди, Л., 2004 г. "Информационный Реализм, В архиве 2012-02-07 в Wayback Machine "в Weckert, J., and Al-Saggaf, Y, eds., Компьютерная и философская конференция, т. 37. "
  34. ^ См. Доклад Флориди об информационной природе реальности, тезисы конференции E-CAP 2006.
  35. ^ Стэнфордская энциклопедия философии: "Тезис Черча – Тьюринга " - к Б. Джек Коупленд.
  36. ^ Дэвид Дойч, «Квантовая теория, принцип Чёрча – Тьюринга и универсальный квантовый компьютер».
  37. ^ Андре Саллес, «Живем ли мы в двумерной голограмме? Новый эксперимент в Фермилабе проверит природу Вселенной», Управление связи Фермилаб, 26 августа 2014 г.[1]
  38. ^ «Голометр опровергает первую теорию пространственно-временных корреляций | Новости». news.fnal.gov. Получено 2018-10-19.
  39. ^ Джон А. Уиллер, 1990, "Информация, физика, квант: поиск ссылок" в В. Зуреке (ред.) Сложность, энтропия и физика информации. Редвуд-Сити, Калифорния: Эддисон-Уэсли.
  40. ^ Пиччинини, Гуальтьеро (2007). «Вычислительное моделирование против вычислительного объяснения: все ли - машина Тьюринга, и имеет ли это значение для философии разума?». Австралазийский журнал философии. Informa UK Limited. 85 (1): 93–115. Дои:10.1080/00048400601176494. ISSN  0004-8402. S2CID  170303007.
  41. ^ Ааронсон, Скотт (сентябрь 2002 г.). "Рецензия на книгу Новый вид науки Стивеном Вольфрамом ". Квантовая информация и вычисления (QIC). arXiv:Quant-ph / 0206089.
  42. ^ Ли Смолин "Матричные модели как теории нелокальных скрытых переменных ", 2002; также опубликовано в Quo Vadis Quantum Mechanics? Коллекция Frontiers, Springer, 2005, стр 121-152, ISBN  978-3-540-22188-3.
  43. ^ Белл, Дж. С. (1981). «Носки Бертльмана и природа реальности». Le Journal de Physique Colloques. EDP ​​Sciences. 42 (C2): 41–61. Дои:10.1051 / jphyscol: 1981202. ISSN  0449-1947.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка