Fizica digitală în fizică și cosmologie este un set de opinii teoretice bazate pe interpretarea că Universul este în esență informație și, prin urmare, este computabil . Din această idee rezultă că Universul poate fi înțeles ca rezultat al funcționării unui program de calculator sau ca un fel de dispozitiv de calcul digital (sau cel puțin un dispozitiv izomorf din punct de vedere matematic cu un astfel de dispozitiv).
Fizica digitală se bazează pe una sau mai multe dintre următoarele ipoteze (enumerate în ordinea îndrăzneală crescândă a ipotezelor). Univers sau realitate :
Fiecare calculator trebuie să fie compatibil cu principiile teoriei informaţiei , termodinamicii statistice şi mecanicii cuantice . O legătură fundamentală între aceste domenii a fost propusă de Edwin Jaynes în două lucrări de mecanică statistică [1] [2] . În plus, Jaynes a dezvoltat cu atenție o interpretare a teoriei probabilităților ca o generalizare a logicii aristotelice , potrivită pentru a lega fizica fundamentală și computerele digitale , deoarece acestea sunt concepute pentru a efectua operațiile logicii clasice și algebrei logicii [3] .
Ipoteza conform căreia universul este un computer digital a fost avansată pentru prima dată de Konrad Zuse în cartea Rechnender Raum (" Spațiu de calcul"). Termenul „fizică digitală” a fost folosit de Edward Fredkin, care a preferat ulterior termenul de „filozofie digitală” [4] . Printre cei care au văzut universul ca pe un computer gigant s-au numărat Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] și laureatul Nobel Gerard 't Hooft [7] . Acești autori credeau că natura aparent probabilistică a fizicii cuantice nu este neapărat incompatibilă cu ideea de computabilitate. O versiune cuantică a fizicii digitale a fost propusă recent de Seth Lloyd [8] , David Deutsch și Paola Zizzi[9] .
Idei similare sunt teoria proto-alternativă a lui Carl Friedrich von Weizsäcker , pancomputaționalismul, teoria computațională a universului, teoria lui John Wheeler „din informație” ( it din bit ) și ipoteza universului matematic a lui Max Tegmark („ Ansamblul finit ”) .
Fizica digitală sugerează că există – cel puțin în principiu – un program care calculează evoluția universului în timp real. Acest computer ar putea fi, de exemplu, un automat celular gigant (Zuse 1967 ) sau o mașină Turing universală , așa cum sugerează Schmidhuber (1997) ). Ei au atras atenția asupra faptului că există un program foarte scurt care poate calcula toate universurile calculabile posibile într-un mod optim asimptotic.
Au existat încercări de a identifica particule fizice individuale cu biți . De exemplu, dacă o particulă elementară , cum ar fi un electron , trece de la o stare cuantică la alta, atunci aceasta poate fi considerată ca o modificare a valorii unui bit, de exemplu, de la 0 la 1. Un singur bit este suficient pentru a descrie o singură tranziție cuantică a unei particule date. Deoarece Universul pare să fie compus din particule elementare al căror comportament poate fi complet descris prin tranzițiile lor cuantice, se presupune că poate fi complet descris folosind biți de informații. Fiecare stare este informațională și fiecare schimbare de stare este o schimbare de informație (necesită manipularea unuia sau mai multor biți). Lăsând deoparte materia întunecată și energia întunecată , care sunt în prezent puțin înțelese, universul cunoscut este format din aproximativ 1080 de protoni și aproximativ același număr de electroni. Rezultă că universul poate fi simulat pe un computer capabil să stocheze și să manipuleze 1090 de biți. Dacă o astfel de simulare are loc într-adevăr, atunci calculele super-Turing sunt imposibile.
Gravitația cuantică în buclă susține fizica digitală prin faptul că consideră spațiu-timp cuantizabil. Paola Zizzi a articulat o reflecție asupra acestei idei în ceea ce se numește „gravitație cuantică în buclă de calcul” [ 10 ] [11] . Alte teorii care combinau aspecte ale fizicii digitale cu gravitația cuantică în buclă au fost avansate de Annalise Marzuioli și Mario Rasetti [12] [13] și Florian Girelli și Etera Livin [14] .
Teoria proto-alternativelor de către fizicianul Carl Friedrich von Weizsacker a fost prezentată pentru prima dată în Einheit der Natur (Unitatea naturii; 1971; tradusă în engleză în 1980 ca Unitatea naturii ) și dezvoltată ulterior în Zeit und Wissen (Timp și cunoaștere) . ; 1992). Această teorie este un fel de fizică digitală, deoarece presupune axiomatic că lumea cuantică constă dintr-o diferență între alternativele binare observate empiric. Weizsäcker și-a folosit teoria pentru a stabili tridimensionalitatea spațiului și pentru a estima entropia unui proton care cade într-o gaură neagră .
Pancomputaționalismul (de asemenea , pancomputaționalismul , computerismul natural ) este o viziune asupra Universului ca o mașină de calcul mare, sau mai degrabă o rețea de procese computaționale care calculează următoarea stare a legilor fizice fundamentale (se dezvoltă dinamic) din starea curentă [15] .
În urma lui Jaynes și Weizsäcker, fizicianul John Wheeler a scris:
Nu este nerezonabil să ne imaginăm că informația se află în miezul fizicii în același mod în care se află în miezul unui computer.
Totul din bit [ It from bit ]. Cu alte cuvinte, tot ceea ce există - fiecare particulă, fiecare câmp de forță, chiar și continuumul spațiu-timp în sine - își derivă funcția, sensul și, în cele din urmă, însăși existența sa - chiar dacă în unele situații nu direct - din răspunsurile pe care ni le-am extras. cu ajutorul dispozitivelor fizice, la întrebări care necesită răspunsul „da” sau „nu”, din alternative binare, din biți. „Totul dintr-o bătaie” simbolizează ideea că fiecare obiect și eveniment al lumii fizice are la bază - în majoritatea cazurilor la o bază foarte profundă - o sursă și o explicație imaterială; ceea ce numim realitate se dezvoltă în cele din urmă din a pune întrebări „da-nu” și a înregistra răspunsurile la acestea cu ajutorul echipamentelor; pe scurt, toate entitățile fizice sunt practic teoretice informaționale și că Universul are nevoie de participarea noastră pentru existența sa (vezi principiul antropic ).
David Chalmers de la Universitatea Națională Australiană a rezumat punctele de vedere ale lui Wheeler astfel:
Wheeler (1990) a sugerat că informația este fundamentală pentru fizica universului. Conform acestei doctrine „totul dintr-un pic”, legile fizicii pot fi exprimate în termeni de informații care afirmă stări diferite care dau naștere la efecte diferite, fără a explica de fapt care sunt acele stări. Numai poziția lor în spațiul informațional este importantă. Dacă da, atunci informația este, de asemenea, un candidat firesc pentru un rol într-o teorie fundamentală a conștiinței. Am ajuns la o concepție a realității, conform căreia informația este cu adevărat fundamentală și conform căreia are două aspecte de bază, corespunzătoare laturii fizice și percepute ale realității. [16] [17]
Christopher Langan a întărit, de asemenea, punctele de vedere ale lui Wheeler în metateoria sa epistemologică :
Viitorul teoriei realității conform lui John Wheeler:
În 1979, faimosul fizician John Wheeler, după ce a dezvoltat neologismul „gaura neagră”, l-a folosit în mod filozofic în titlul unei lucrări de cercetare „Dincolo de gaura neagră”, în care descrie Universul ca un circuit auto-excitant. Lucrarea include o ilustrație în care o parte a unui U majuscul, aparent însemnând Universul, este echipată cu un ochi mare și foarte inteligent, care privește cu atenție cealaltă parte, pe care aparent o stăpânește prin observație ca informație senzorială. După locația sa, ochiul înseamnă aspectul senzorial sau cognitiv al realității, poate chiar un observator uman în interiorul Universului, în timp ce ținta de percepție a ochiului reprezintă aspectul informațional al realității. Datorită acestor aspecte suplimentare, se pare că Universul poate fi, într-un anumit sens, dar nu neapărat în uz comun, descris drept „conștient” și „introspectiv”... poate chiar „infocognitiv”. [optsprezece]
Aparent, prima prezentare formală a ideii că informația este poate cantitatea fundamentală la baza fizicii vine de la Frederick Cantor, un fizician la Universitatea Columbia . Cartea lui Kantor Information Mechanics ( Wiley-Interscience , 1977) dezvoltă această idee în detaliu, dar fără rigoare matematică.
Cea mai dificilă sarcină din programul lui Wheeler de a investiga descompunerea digitală a existenței fizice în fizica unificată, în propriile sale cuvinte, a fost timpul. În 1986, într-un elogiu pentru matematicianul Hermann Weyl , el a proclamat:
Dintre toate conceptele din lumea fizicii, timpul oferă cea mai mare rezistență la răsturnarea din lumea unui continuum ideal în lumea discretității, a informațiilor, a biților... Dintre toate obstacolele în calea înțelegerii complete a fundamentelor ființei, niciuna. se profilează la orizont la fel de teribil ca „timpul”. Explica timpul? Imposibil fără o explicație a ființei. Dezvăluirea conexiunii profunde și ascunse dintre timp și ființă... este o sarcină pentru viitor [19] .
Filosoful-fenomenologul australian Michael Elder a comentat acest lucru:
Antinomia dintre continuum și timp în raport cu problema ființei... după Wheeler este cauza anxietății care provoacă viitorul fizicii cuantice, cauzată așa cum este de voința de a putere asupra unei realități în mișcare, de a „ obținem patru victorii” (ibid.) ... Și așa, am revenit la problema „înțelegerii cuantiștii ca bazată pe o idee foarte simplă și – când înțelegem aceasta – complet evidentă” (ibid.), de la care continuumul timpului. pot fi derivate. Numai astfel s-ar putea satisface voința de putere calculabilă matematic asupra dinamicii, adică mișcarea în timp, a ființei în ansamblu. [20] [21]
Nu orice abordare informațională a fizicii (sau ontologiei ) este neapărat digitală. Potrivit lui Luciano Florodi [22] , „realismul structural informațional” este o variantă a realismului structural care menține un angajament ontologic față de o lume constând dintr-o completitudine de obiecte informaționale care interacționează dinamic unele cu altele. Asemenea obiecte informaționale ar trebui înțelese ca avantaje convingătoare.
De asemenea, ontologia digitală și pancomputaționalismul sunt independente. În special, J. Wheeler l-a apărat pe primul, dar nu a spus nimic despre cel din urmă.
Pe de o parte, pancomputaționaliști precum Lloyd (2006 ), care a proiectat Universul ca un computer cuantic , poate suporta în continuare o ontologie analogică sau hibridă; pe de altă parte, ontologii informaționali precum Sayre și Floridi nu acceptă nici ontologia digitală, nici poziția pancomputaționalistă [23] .
Informatica se bazează pe conceptul unei mașini Turing , o mașină de calcul imaginară descrisă pentru prima dată de Alan Turing în 1936. În ciuda simplității sale, teza Church-Turing presupune că o mașină Turing poate rezolva orice problemă „corectă” (în informatică, o problemă este considerată „rezolvabilă” dacă poate fi rezolvată în principiu, adică într-un timp finit, ceea ce nu este neapărat un timp finit important pentru oameni). Prin urmare, mașina Turing stabilește o „limită superioară” fundamentală a puterii de calcul, în contrast cu posibilitățile oferite de hipercalculatoarele ipotetice .
Principiul echivalenței computaționale al lui Stephen Wolfram justifică abordarea digitală. Acest principiu, dacă este adevărat, înseamnă că totul poate fi calculat de o singură mașină, în esență simplă, o implementare a unui automat celular . Aceasta este o modalitate de a îndeplini scopul tradițional al fizicii: căutarea unor legi și mecanisme simple pentru întreaga natură.
Fizica digitală este falsificabilă prin faptul că o clasă mai puțin puternică de calculatoare nu poate simula o clasă mai puternică. Astfel, dacă universul nostru este o realitate simulată gigantică , această simulare rulează pe un computer cel puțin la fel de puternic ca o mașină Turing. Dacă omenirea reușește să construiască un hipercomputer, atunci aceasta va însemna că mașina Turing nu are suficientă putere pentru a simula universul.
Teza clasică Church-Turing cere ca orice calculator echivalent ca putere cu o mașină Turing ar putea, în principiu, să calculeze orice poate calcula un om, având suficient timp. O versiune mai riguroasă, neatribuită lui Church sau lui Turing [24] , cere ca o mașină Turing universală să poată calcula orice, necesitând astfel imposibilitatea construirii unei „supermașini Turing” numită hipercomputer. Dar limitele calculului practic sunt stabilite de fizică, nu de informatică:
Turing nu a arătat că mașinile sale ar putea rezolva orice problemă care ar putea fi rezolvată prin „instrucțiuni, reguli sau proceduri explicite”, nici nu a demonstrat că o mașină Turing universală „poate calcula orice funcție pe care orice computer de orice arhitectură o poate calcula”. El a demonstrat că mașina sa universală Turing ar putea să calculeze orice funcție pe care ar putea-o calcula orice mașină Turing; și a avansat un argument filosofic în sprijinul acestui lucru, o teză numită aici teza lui Turing. Dar această teză, deși se referă la domeniul metodelor eficiente (adică domeniul anumitor tipuri de proceduri pe care le poate efectua un om neasistat), nu afectează procedurile pe care le pot efectua mașinile, chiar și după „reguli formulate explicit”. Dintre ansamblul de operații ale mașinilor se pot număra și cele care nu pot fi efectuate de nicio persoană neprevăzută cu ajutorul mașinilor [25] .
Teza Church-Turing-DeutschPe de altă parte, dacă se fac două ipoteze suplimentare (cum ar fi hipercalcularea necesită întotdeauna infinitate adevărate; nu există infinitate adevărate în fizică), atunci principiul combinat rezultat se încadrează în mod necesar în cadrul declarat al lui Turing.
După cum a spus D. Deutsch:
Acum pot formula o versiune fizică a principiului Church-Turing: „Orice sistem fizic finit care poate fi înțeles poate fi pe deplin simulat de o mașină universală de calcul model care funcționează cu metode finite”. Această formulare este mai precisă și mai fizică decât cea propusă de Turing” [26] .
Această ipoteză combinată este uneori numită „teza Church-Turing puternică” sau teza Church-Turing-Deutch .
Criticii fizicii digitale, inclusiv fizicienii care lucrează în domeniul mecanicii cuantice , se opun ei din mai multe motive.[ ce? ] .
Continuități ale simetriilor fiziceO obiecție este că modelele actuale de fizică digitală sunt incompatibile cu existența unor proprietăți continue ale simetriilor fizice , cum ar fi simetriile spațiale de rotație și translație , simetriile Lorentz și simetriile electroslabe , care sunt esențiale pentru teoria fizică existentă.
Susținătorii fizicii digitale susțin că astfel de simetrii continue sunt doar aproximări convenabile (și destul de bune) ale realității discrete. De exemplu, raționamentul care conduce la sisteme de unități naturale și concluzia că lungimea Planck este cea mai mică unitate semnificativă de lungime sugerează că, la un anumit nivel, spațiul însuși este cuantificat [27] .