La física digital en física y cosmología es un conjunto de visiones teóricas basadas en la interpretación de que el Universo es esencialmente información y, por lo tanto, es computable . De esta idea se sigue que el Universo puede entenderse como el resultado de la operación de algún programa de computadora o como algún tipo de dispositivo de computación digital (o al menos un dispositivo matemáticamente isomorfo a tal dispositivo).
La física digital se basa en una o más de las siguientes hipótesis (enumeradas en orden creciente de audacia de las suposiciones). Universo, o realidad :
Toda computadora debe ser compatible con los principios de la teoría de la información , la termodinámica estadística y la mecánica cuántica . . Una conexión fundamental entre estos campos fue propuesta por Edwin Jaynes en dos trabajos sobre mecánica estadística [1] [2] . Además, Jaynes desarrolló cuidadosamente una interpretación de la teoría de la probabilidad como una generalización de la lógica aristotélica , muy adecuada para vincular la física fundamental y las computadoras digitales , ya que están diseñadas para realizar las operaciones de la lógica clásica y el álgebra de la lógica [3] .
La hipótesis de que el universo es una computadora digital fue propuesta por primera vez por Konrad Zuse en el libro Rechnender Raum (" Espacio computacional"). El término "física digital" fue utilizado por Edward Fredkin, quien luego prefirió el término "filosofía digital" [4] . Entre los que veían el universo como una computadora gigante estaban Stephen Wolfram [5] , Jürgen Schmidhuber [6] y el premio Nobel Gerard 't Hooft [7] . Estos autores creían que el carácter aparentemente probabilístico de la física cuántica no es necesariamente incompatible con la idea de computabilidad. Seth Lloyd [8] , David Deutsch y Paola Zizzi han propuesto recientemente una versión cuántica de la física digital .[9] .
Ideas similares son la teoría protoalternativa de Carl Friedrich von Weizsäcker, el pancomputacionalismo, la teoría computacional del universo, la teoría de las " cosas de la información" de John Wheeler y la hipótesis del universo matemático de Max Tegmark (" Conjunto finito ") .
La física digital sugiere que existe, al menos en principio, un programa que calcula la evolución del universo en tiempo real. Esta computadora podría ser, por ejemplo, un autómata celular gigante (Zuse 1967 ) o una máquina de Turing universal , como sugiere Schmidhuber (1997 ). Llamaron la atención sobre el hecho de que existe un programa muy corto que puede calcular todos los universos computables posibles de forma asintóticamente óptima.
Ha habido intentos de identificar partículas físicas individuales con bits . Por ejemplo, si una partícula elemental , como un electrón , pasa de un estado cuántico a otro, esto puede considerarse como un cambio en el valor de un bit, por ejemplo, de 0 a 1. Un solo bit es suficiente para describir una única transición cuántica de una partícula dada. Dado que el Universo parece estar compuesto de partículas elementales cuyo comportamiento puede describirse completamente mediante sus transiciones cuánticas, se da a entender que puede describirse completamente utilizando bits de información. Cada estado es informativo y cada cambio de estado es un cambio de información (requiere la manipulación de uno o más bits). Dejando a un lado la materia oscura y la energía oscura , que en la actualidad son poco conocidas, el universo conocido consta de unos 1080 protones y aproximadamente el mismo número de electrones. De ello se deduce que el universo se puede simular en una computadora capaz de almacenar y manipular 1090 bits. Si tal simulación realmente tiene lugar, entonces los cálculos de super-Turing son imposibles.
La gravedad cuántica de bucles respalda la física digital en el sentido de que considera que el espacio-tiempo es cuantificable. Paola Zizzi articuló una reflexión sobre esta idea en lo que se denomina "gravedad cuántica de bucle computacional" [ 10 ] [11] . Annalise Marzuioli y Mario Rasetti [12] [13] y Florian Girelli y Etera Livin [14] han propuesto otras teorías que combinan aspectos de la física digital con la gravedad cuántica de bucles .
La teoría de las protoalternativas del físico Carl Friedrich von Weizsacker se presentó por primera vez en Einheit der Natur (La unidad de la naturaleza; 1971; traducida al inglés en 1980 como La unidad de la naturaleza ) y posteriormente se desarrolló en Zeit und Wissen (Tiempo y cognición) .; 1992). Esta teoría es una especie de física digital, ya que asume axiomáticamente que el mundo cuántico consiste en una diferencia entre alternativas binarias observadas empíricamente. Weizsäcker usó su teoría para establecer la tridimensionalidad del espacio y estimar la entropía de un protón que cae en un agujero negro .
El pancomputacionalismo (también pancomputacionalismo , computación natural ) es una visión del Universo como una gran máquina informática, o más bien una red de procesos computacionales que calcula el siguiente estado de las leyes físicas fundamentales (se desarrolla dinámicamente) a partir del estado actual [15] .
Siguiendo a Jaynes y Weizsäcker, el físico John Wheeler escribió:
No es irrazonable imaginar que la información reside en el núcleo de la física de la misma manera que reside en el núcleo de una computadora.
Todo del bit [ It from bit ]. En otras palabras, todo lo que existe, cada partícula, cada campo de fuerza, incluso el continuo espacio-tiempo mismo , deriva su función, su significado y, en última instancia, su existencia misma, aunque en algunas situaciones no directamente, de las respuestas que nos extrajeron. con la ayuda de dispositivos físicos, a preguntas que requieren la respuesta "sí" o "no", desde alternativas binarias, desde bits. “Todo de un latido” simboliza la idea de que cada objeto y evento del mundo físico tiene en su base, en la mayoría de los casos en una base muy profunda, una fuente y explicación inmaterial; lo que llamamos realidad surge en última instancia de hacer preguntas de "sí o no" y registrar las respuestas con la ayuda de equipos; en definitiva, todas las entidades físicas son básicamente información-teóricas y que el Universo necesita de nuestra participación para su existencia (ver Principio antrópico ).
David Chalmers de la Universidad Nacional de Australia resumió las opiniones de Wheeler de esta manera:
Wheeler (1990) sugirió que la información es fundamental para la física del universo. De acuerdo con esta doctrina de "todo desde un poco", las leyes de la física se pueden expresar en términos de información que afirman diferentes estados que dan lugar a diferentes efectos, sin explicar realmente cuáles son esos estados. Solo su posición en el espacio de información es importante. Si es así, entonces la información también es un candidato natural para un papel en una teoría fundamental de la conciencia. Hemos llegado a una concepción de la realidad, según la cual la información es verdaderamente fundamental, y según la cual tiene dos aspectos básicos, correspondientes a los aspectos físico y percibido de la realidad. [16] [17]
Christopher Langan también reforzó los puntos de vista de Wheeler en su metateoría epistemológica :
El futuro de la teoría de la realidad según John Wheeler:
En 1979, el famoso físico John Wheeler, después de haber desarrollado el neologismo "agujero negro", le dio un buen uso filosófico en el título de un trabajo de investigación "Más allá del agujero negro", en el que describe el Universo como un circuito autoexcitante. La obra incluye una ilustración en la que una parte de una U mayúscula, que aparentemente significa el Universo, está equipada con un ojo grande y muy inteligente, que mira fijamente al otro lado, que aparentemente domina a través de la observación como información sensorial. Según su ubicación, el ojo significa el aspecto sensorial o cognitivo de la realidad, quizás incluso un observador humano dentro del Universo, mientras que el objetivo de percepción del ojo representa el aspecto informativo de la realidad. Gracias a estos aspectos adicionales, parece que el Universo puede ser, en cierto sentido, pero no necesariamente en el uso común, descrito como "consciente" e "introspectivo"... tal vez incluso "infocognitivo". [Dieciocho]
Aparentemente, la primera presentación formal de la idea de que la información es quizás la cantidad fundamental en el núcleo de la física proviene de Frederick Cantor, físico de la Universidad de Columbia . El libro Information Mechanics de Kantor ( Wiley-Interscience , 1977) desarrolla esta idea en detalle, pero sin rigor matemático.
La tarea más difícil en el programa de Wheeler para investigar la descomposición digital de la existencia física en la física unificada, en sus propias palabras, fue el tiempo. En 1986, en un elogio del matemático Hermann Weyl , proclamó:
Entre todos los conceptos del mundo de la física, el tiempo ofrece la mayor resistencia al derrocamiento del mundo de un continuo ideal al mundo de la discreción, la información, los bits... De todos los obstáculos para una comprensión completa de los fundamentos del ser, ninguno asoma en el horizonte tan terriblemente como el "tiempo". explicar el tiempo? Imposible sin una explicación del ser. Revelar la conexión profunda y oculta entre el tiempo y el ser... es una tarea para el futuro [19] .
El filósofo y fenomenólogo australiano Michael Elder comentó sobre esto:
La antinomia entre el continuo y el tiempo en relación con la cuestión del ser... según Wheeler es la causa de la angustia que desafía el futuro de la física cuántica, provocada como es por la voluntad de poder sobre una realidad en movimiento, de " lograr cuatro victorias" (ibíd.)... Y así, volvimos al problema de "comprender la cuantización como basada en una idea muy simple y, cuando entendemos esto, completamente obvia" (ibíd.), a partir de la cual el tiempo continuo puede ser derivado. Sólo así podría satisfacerse la voluntad de poder matemáticamente computable sobre la dinámica, es decir, el movimiento en el tiempo, del ser en su conjunto. [20] [21]
No todos los enfoques informativos de la física (u ontología ) son necesariamente digitales. Según Luciano Florodi [22] , el "realismo estructural informacional" es una variante del realismo estructural que mantiene un compromiso ontológico con un mundo que consiste en una totalidad de objetos informativos que interactúan dinámicamente entre sí. Dichos objetos de información deben entenderse como posibilidades convincentes.
La ontología digital y el pancomputacionalismo también son independientes. En particular, J. Wheeler defendió lo primero, pero no dijo nada sobre lo segundo.
Por un lado, pancomputacionalistas como Lloyd (2006 ), quien diseñó el Universo como una computadora cuántica , todavía puede soportar una ontología analógica o híbrida; por otro lado, los ontólogos de la información como Sayre y Floridi no aceptan ni la ontología digital ni la posición pancomputacionalista [23] .
La informática se basa en el concepto de una máquina de Turing , una máquina informática imaginaria descrita por primera vez por Alan Turing en 1936. A pesar de su simplicidad, la tesis de Church-Turing asume que una máquina de Turing puede resolver cualquier problema "correcto" (en informática, un problema se considera "soluble" si puede resolverse en principio, es decir, en un tiempo finito, que no es necesariamente un tiempo finito importante para los humanos). Por tanto, la máquina de Turing establece un "límite superior" fundamental de la potencia de cómputo, en contraposición a las posibilidades que brindan las hipotéticas hipercomputadoras .
El principio de equivalencia computacional de Stephen Wolfram justifica el enfoque digital. Este principio, si es cierto, significa que todo puede ser computado por una máquina esencialmente simple, una implementación de un autómata celular . Esta es una forma de cumplir con el objetivo tradicional de la física: la búsqueda de leyes y mecanismos simples para toda la naturaleza.
La física digital es falsificable por el hecho de que una clase de calculadoras menos poderosa no puede simular una clase más poderosa. Así, si nuestro universo es una gigantesca realidad simulada , esta simulación se ejecuta en un ordenador al menos tan potente como una máquina de Turing. Si la humanidad logra construir una hipercomputadora, esto significará que la máquina de Turing no tiene suficiente poder para simular el universo.
La tesis clásica de Church-Turing requiere que cualquier calculadora equivalente en potencia a una máquina de Turing pueda, en principio, calcular cualquier cosa que un ser humano pueda calcular, con suficiente tiempo. Una versión más rigurosa, no atribuida a Church o Turing [24] , requiere que una máquina de Turing universal sea capaz de calcular cualquier cosa, por lo que requiere la imposibilidad de construir una "supermáquina de Turing" llamada hipercomputadora. Pero los límites de la computación práctica los establece la física, no la informática:
Turing no demostró que sus máquinas pudieran resolver ningún problema que pudiera resolverse mediante "instrucciones, reglas o procedimientos establecidos explícitamente", ni probó que una máquina de Turing universal "pueda calcular cualquier función que pueda calcular cualquier computadora de cualquier arquitectura". Demostró que su máquina de Turing universal podía calcular cualquier función que cualquier máquina de Turing pudiera calcular; y presentó un argumento filosófico en apoyo de esto, una tesis que aquí llamamos la tesis de Turing. Pero esta tesis, si bien se refiere al ámbito de los métodos eficientes (es decir, al ámbito de ciertos tipos de procedimientos que puede realizar un ser humano sin ayuda), no afecta a los procedimientos que pueden realizar las máquinas, incluso de acuerdo con "reglas explícitamente formuladas". Entre el conjunto de operaciones de las máquinas pueden existir aquellas que no pueden ser realizadas por ninguna persona que no esté provista de la ayuda de las máquinas [25] .
La tesis Church-Turing-DeutschPor otro lado, si se hacen dos hipótesis adicionales (como que la hipercomputación siempre requiere infinitos verdaderos; no hay infinitos verdaderos en la física), entonces el principio combinado resultante encaja necesariamente dentro del marco establecido por Turing.
Como dijo D. Deutsch:
Ahora puedo formular una versión física del principio de Church-Turing: "Cada sistema físico finito que se pueda entender se puede simular completamente mediante una máquina de computación modelo universal que opere con métodos finitos". Esta formulación es más definida y más física que la propuesta por Turing" [26] .
Esta hipótesis combinada a veces se denomina "tesis fuerte de Church-Turing" o tesis de Church-Turing-Deutch .
Los críticos de la física digital, incluidos los físicos que trabajan en el campo de la mecánica cuántica , se oponen a ella por varias razones.[ ¿Qué? ] .
Continuidades de simetrías físicasUna objeción es que los modelos actuales de física digital son incompatibles con la existencia de algunas propiedades continuas de las simetrías físicas , como las simetrías espaciales de rotación y traslación , las simetrías de Lorentz y las simetrías electrodébiles , que son fundamentales para la teoría física existente.
Los defensores de la física digital afirman que tales simetrías continuas son solo aproximaciones convenientes (y bastante buenas) de la realidad discreta. Por ejemplo, el razonamiento que lleva a los sistemas de unidades naturales y la conclusión de que la longitud de Planck es la unidad de longitud significativa más pequeña sugiere que, en algún nivel, el espacio mismo está cuantificado [27] .