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波恩大学:如何证明我们生存在模拟的宇宙?

2016-12-30 17:38| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 15016| 评论: 2|原作者: 袁岚峰|来自: 科学网

摘要: 每一天,我们理所当然的认为我们所过的生活是真实的。我们所视为的“真实”事实上反映了客观现实。构成我们身体的原子和分子是真实存在的;跟我们相互作用的光子具有能量和动量;穿过我们身体的中微子是真实的量子粒 ...
关于“我们是否生活在一个模拟的世界里”这个问题,最有趣的一点是,它不是个纯粹开脑洞的问题,而是有可能用实验来检验的问题。就是说,这可以是个严肃的科学问题,而不是无休止的哲学争论或者耍嘴皮子、抖机灵。

2012年,波恩大学的物理学家们建议了一种方法,来检验我们所处的宇宙是不是一个模拟器(Is it real? Physicists propose method to determine if the universe is a simulation)。方法是基于量子色动力学构建网格,看是否能找到网格的端点或棱。摘要如下,全文参考本文最后内容:

Abstract 
Observable consequences of the hypothesis that the observed universe is a numerical simulation performed on a cubic space-time lattice or grid are explored. The simulation scenario is first motivated by extrapolating current trends in computational resource requirements for lattice QCD into the future. Using the historical development of lattice gauge theory technology as a guide, we assume that our universe is an early numerical simulation with unimproved Wilson fermion discretization and investigate potentially-observable consequences. Among the observables that are considered are the muon g-2 and the current differences between determinations of alpha, but the most stringent bound on the inverse lattice spacing of the universe, b^(-1) >~ 10^(11) GeV, is derived from the high-energy cut off of the cosmic ray spectrum. The numerical simulation scenario could reveal itself in the distributions of the highest energy cosmic rays exhibiting a degree of rotational symmetry breaking that reflects the structure of the underlying lattice.

最近中科院物理所还有一篇对这个问题比较通俗的解读(我们是否生活在一个模拟世界?),全文如下:

谁会相信理论上的蚂蚁?
蓝图上的长颈鹿?
一万名探赜索隐的博士
也只能对森林万物一知半解。
——约翰•西阿弟

不知道有没有读者看了最近很火爆的《西部世界》?不知道你们看完之后有没有思考过这么一个问题:”如果西部世界是人类用高科技模拟出来的世界,那么有没有可能人类其实早已经生活在一个模拟的世界?”

每一天,我们理所当然的认为我们所过的生活是真实的。我们所视为的“真实”事实上反映了客观现实。构成我们身体的原子和分子是真实存在的;跟我们相互作用的光子具有能量和动量;穿过我们身体的中微子是真实的量子粒子。但是有没有这么一种可能,我们的宇宙——从最小的亚原子粒子到大尺度的星系团——并不是一个真实存在的物理实体,而仅仅是某个真正现实世界中的生物模拟出来的。换句话说我们所过的人生其实是由计算机精心设计模拟生成的。

听起来,这的确像是科幻故事中的剧情,但是在这背后其实是有一些物理根据的。

在著名的宇宙学家Martin Rees的《六个数》一书中,他用了六个基本常数,探讨了我们从何而来?到何处去?其中有两个数字与基本相互作用力有关,两个确定了宇宙的大小和基本结构,另外另个则确定了空间本身的性质。这六个数字组成了一个制造宇宙的“秘方”,如果其中任何一个数字出现“失调”,那宇宙就会截然不同,也就不可能会有星体和生命。这六个数的值或宇宙中的其它常数究竟是一种残酷的现实还是一种巧合?或者是被精心挑选的?这是大自然最深奥的秘密之一。

我们并没有任何数学或物理原理来决定我们的宇宙必须是由什么构成的。我们自身在这个宇宙中,只能在有限的灵敏度下观测到有限的宇宙。这部分原因是由于设备的限制,还有部分的原因是自然的基本限制。

例如,我们无法观测超过460亿光年外的任何东西,因为自宇宙大爆炸到现在的时间总量加上光速的限制使我们无法看的更远。目前,我们无法探索比10⁻1⁹米更小的尺度,这是因为加速器技术的限制。但是,即使我们的科技已经达到超高水准,我们也永远无法探索10⁻3⁵米以下的尺度,因为这是宇宙本身的基本量子限制。另外,当我们想要同时测量不同的参数(比如粒子的位置和动量)时,我们发现自然有着根本的不确定性是我们无法逾越的。

对于这六个数或者宇宙的其它参数所显示出的精密调谐,不同的人有许多不同的反应。有人认为如果这些数字没有按适当的“特殊”方式进行调整,那就没有我们的存在:我们明显地就在这里,因此没什么好惊讶的。而有的人则认为这些数字的“调谐”是因为我们有一个仁慈的造物主。Martin Rees则认为或许这是多重宇宙的一个证据:这些数字在不同的地方,照样会有无限多个不同的宇宙存在,只有在这些数字“正确”组合的宇宙里,我们才得以出现。

但还有一种可能,这六个数或其它基本常数就像是制造宇宙的“秘方”早就被编写在这个宇宙之中,也就是说我们的宇宙其实是被模拟出来的。在过去的几十年里,科技的发展让计算机的计算能力以令人担忧的速度逐渐上升。从最初一个建筑大小的普通计算机到比数学家运算能力稍慢的计算机,以及现在发展到现在的超级计算机,虽然大小跟打印机差不多却可以在几分钟内模拟出数十亿年内的万亿个粒子的演化。

在理论上,当计算机能力提升到一定程度,我们可以模拟在整个宇宙历史过程中的每个粒子。如果是量子计算机,它可以使每个单独的粒子保持在不确定性的量子态,因此它可以在模拟中把万物似乎都具有的基本量子不确定性都考虑进去。如果在这个模拟中,会产生行星,并且有智慧生命生活其中,那么他们有没有办法证明自己是生活在一个模拟世界? NASA科学家Rich Terrile认为:“所有我们认为是连续的东西——时间、能量、空间和体积——的大小都是有限的。如果情况的确如此,那么我们的宇宙就同时可计算并且是有限的。这些性质允许我们的宇宙被模拟。”

从物理的角度分析这并不一定是真的。量子不确定性或许是真实的,但是这并不意味着空间和时间是量子化的,或者光子的能量也不能是任意小的。可观测宇宙或许是有限的,但是我们不要忘记,在我们的视界之外,我们的宇宙还包含着一个我们无法预知大小的区域,从那里发出的光或许永远不会被我们观测到。同时,我们也会运用各种技巧来减少模拟算法的运算量,如果我们的宇宙是模拟的,那么在足够小的距离,某些技巧会以“模糊”的结果出现在实验中,换句话说一个模拟的宇宙是一个模糊的宇宙,但是我们没有观测到任何模糊的证据。

模拟假说虽然很吸引人,但并不是所有人都能够被说服。在今年四月有一群科学家就这个话题展开了一场激烈辩论,哈佛大学的理论物理教授Lisa Randall对模拟假说表示强烈怀疑,她说道:“事实上,我非常好奇为什么会有很多人认为这是一个有趣的问题。” (关于Lisa Randall的更多信息可以查看《集才华与美貌于一身的女科学家》集才华与美貌于一身的女科学家。)当然,对于Lisa Randall的看法,天文物理学家Neil Tyson立即反驳并认为宇宙是被模拟的可能性非常大。而且他在大会的最后留下了一个问题:“如果我们的世界真的只是计算机模拟出来的,那么一旦出现任何漏洞,导致整个程序崩溃,届时我们将会发生什么事呢?”

模拟假说的可能性的确非常激发想象力。而且通过我们以越高精度和越高能量对空间、时间、物质和能量的测量,我们可以对该假说进行限制。但是我们对真理不断地理解是通过以更新颖和基本的方式去追问关于宇宙的更深层次的问题。就像是求助于对人择原理,求助于模拟假设可以帮助我们回答今天我们面临的许多大问题,但这更像是在放弃科学。

比如说从宇宙射线中,如果我们能够找到时空是不连续的证据,这对于我们理解宇宙自然是一个巨大的前进,但是它也无法证明模拟假说。事实上,并没有任何办法能够证明该假说,我们所找到或没找到的任何“小破绽”都可能是宇宙本身的性质.......或者是被模拟器设置或调节的参数。或许,对于一个足够高级的模拟器,我们在模拟器中,就好比是康威生命游戏中对于我们而言的像素。

但是,我们并不会从一个想法有多吸引人来判定它的科学价值。部分原因是物理之所以吸引人是因为它有时候是反直觉的,也因为它有着强大预言能力。即使我们真的生活在一个模拟世界中,也不应该改变我们对理解自然规律的追求:为什么自然规律是这样的,为什么基本常数的值是精细调谐的,以及任何你对现实本质的疑问。“因为我们生活在一个模拟世界中。” 这并不是这些问题的答案。

如果你看糊涂了,那么总结一下:我们生活的世界是否是模拟出来的,这个问题不是胡思乱想,而是可以进行科学研究的。科学家已经建议了一些实验方法来检验这个假说,基本思想是看能不能找到模拟的参数设置。现在还没有找到任何模拟的证据,不过提出这种实验方法本身就是一个重要的进步。这个问题仍然没有定论,可能也永远不会有定论,但无论如何,用科学方法去研究它是值得做的。

2012年,波恩大学的物理学家们建议了一种方法,来检验我们所处的宇宙是不是一个模拟器,全文内容如下:
(http://Phys.org)—A common theme of science fiction movies and books is the idea that we're all living in a simulated universe—that nothing is actually real. This is no trivial pursuit: some of the greatest minds in history, from Plato, to Descartes, have pondered the possibility. Though, none were able to offer proof that such an idea is even possible. Now, a team of physicists working at the University of Bonn have come up with a possible means for providing us with the evidence we are looking for; namely, a measurable way to show that our universe is indeed simulated. They have written a paper describing their idea and have uploaded it to the preprint server arXiv.

The team's idea is based on work being done by other scientists who are actively engaged in trying to create simulations of our universe, at least as we understand it. Thus far, such work has shown that to create a simulation of reality, there has to be a three dimensional framework to represent real world objects and processes. With computerized simulations, it's necessary to create a lattice to account for the distances between virtual objects and to simulate the progression of time. The German team suggests such a lattice could be created based on quantum chromodynamics—theories that describe the nuclear forces that bind subatomic particles.

To find evidence that we exist in a simulated world would mean discovering the existence of an underlying lattice construct by finding its end points or edges. In a simulated universe a lattice would, by its nature, impose a limit on the amount of energy that could be represented by energy particles. This means that if our universe is indeed simulated, there ought to be a means of finding that limit. In the observable universe there is a way to measure the energy of quantum particles and to calculate their cutoff point as energy is dispersed due to interactions with microwaves and it could be calculated using current technology. Calculating the cutoff, the researchers suggest, could give credence to the idea that the universe is actually a simulation. Of course, any conclusions resulting from such work would be limited by the possibility that everything we think we understand about quantum chromodynamics, or simulations for that matter, could be flawed.

More information: Constraints on the Universe as a Numerical Simulation, arXiv:1210.1847 [hep-ph]

http://arxiv.org/abs/1210.1847

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引用 farsmile 2017-1-1 17:00
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引用 tigerfish 2016-12-30 18:44
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