单纯地将我们所处的真实世界理解为一种模拟,这极大地低估了我们世界的复杂度。这是模拟假说无厘头的原因。

  模拟世界是否就跟电影黑客帝国中一样?恐怕不是

  随着人工智能的发展以及算力的增强,计算机似乎无所不能。从超现实的 3D 渲染到深度伪造(deepfake)的图片和视频,完全模拟现实的可能性看起来指日可待。

  技术的进步引发了人们对“计算机是否能模拟真实世界”的思考,紧接着的问题是:“我们是否就生活在模拟的世界中?

  抛开所有哗众取宠的论据,这个模拟假说背后的科学原理是什么?作为一个流传已广的假设,肯定已经做了一些实验来检验它……对么?嗯,作为前粒子物理学的研究者,我可以说答案是否定的。原因如下:

  1。  提出或者相信模拟假说的前提是不可靠的;

  2。  传统的模拟跟我们所知的现实在很多方面都是矛盾的。

  现在,我们来分别阐述这些想法。

  Part.1

  拆解模拟论证

  模拟假说的一般论点为:

  1。  计算能力是指数增长的(摩尔定律)。

  2。  我们的世界遵循简单而合乎逻辑的定律,很容易被计算机模拟。

  3。  外推可知,未来的计算机能够创造和模拟类似于我们的世界。

  4。  最终,模拟的世界会比普通的世界多。因此,我们的世界大概率已经是模拟的世界了。

  实际上,以上所有的论据都是错的:

  1。  所有的指数增长的现实系统最终都会放缓(例如人口增长,病毒传播)。对于摩尔定律这样的经验观察,其不基于任何基本定律,没有证据会断定这种趋势会持续下去。

  2。  简单的物理定律不意味着他们能被模拟修改,后面会有详细介绍。

  3。  考虑到 1 和 2 都是错的,没有理由相信计算机可以模拟我们真实世界。

  4。  考虑到 1,2,3,整个论据都不充足,整个观点不攻自破。这是谬误的贝叶斯论证的补充,不做过多讨论。

  考虑到从物理学的角度来阐述这个问题,因此本文论述主要集中在 2,这是一个特别被低估的点,因为它与我们的物理定律密切相关。重点是:

  我们的世界包含不可估量的隐藏的复杂性,远远超出模拟所能达到的。

  让我们探讨一下这意味着什么。

  Part.2

  我们世界隐藏的复杂性

  在以人为中心的任务中,人的效率会非常高,比如四处走动和与物体交互。这些任务都涉及到宏观物体(相对于我们人类的尺度)。

  例如,在阅读时,我们不会注意纸上墨水的微观结构或者屏幕上的单个像素图案。我们只需要看视野中整体的图像,微观墨水或者像素的排列完全无关紧要。

  然而,这并不意味着错综的墨水/像素图案就不存在或者无关紧要,虽然它们与我们无关。但事实上,蚂蚁或细菌的行为很容易受到这些微观模式的影响。

  就像书中的字母一样,这本书包含的复杂性远远超过我们理解潜在故事所需的复杂性

  结论简单来说就是:

  世界包含的细节远超于我们关心的内

  为什么这个很关键?当我们讨论模拟时,像虚拟现实和游戏,我们只需要模拟宏观的现象,而忽略微观的细节。

  当然,这对于模拟来说并不是问题。只要主要宏观的现象是准确的,模拟就完成了它的任务(对人眼而言)。事实上,这种对于微观的省略往往是提升效率的一个重要体现。毕竟,为什么要花费多余的计算内存来模拟我们不会注意到的地方?

  我们发现:计算机模拟只会捕捉宏观的内容,而忽略微观的细节。

  事实上,有个简单的方法可以区分模拟和现实:尝试放大!现实中,我们可以用放大镜来观察纸上墨水的细节。如果需要更多细节,可以用显微镜来看到更多。在更极端情况下,我们甚至可以把墨水汽化,用加速器来观察它在亚原子世界的成分。

  当然,如果投入更多的计算资源来模拟世界的微观细节,肯定有一天可以模拟到原子的尺度甚至更深……对吧?

  事实上,有点困难。从我们的物理实验来看:我们观察的视角最大已经到可观察宇宙边缘的最远星系(约1000亿光年),最小的亚原子粒子(~fm,大概是千万亿分之一米,夸克的大小)。整个世界的尺度比例差异接近1040,目前为止,还没有发现任何像素点或者故障的迹象。在这个规模的尺度远超过我们快速发展的计算机的计算能力。事实上,人类会探索世界更广的尺度,因此整个宇宙的真实大小会更大。我们所处的世界是个模拟的么?可能性极低。

  从可观测的宇宙到最小的亚原子粒子,

  有超过 40 个数量级

  (来源:维基百科)

  在目前的讨论中,我们甚至还没有涉及到动力学。如果将宇宙 130亿年的动态演化加入到模拟假说中会发生什么?事实证明,模拟假说更不可信。

  Part.3

  混沌的世界

  我们的世界是高度动态化的,从微观到宏观,每一秒都有不可估量的变化。变化带来不可预测性:从天气模式到股票市场到赌场,不确定性已融入我们的社会。

  在大多数情况下,我们所谓的不确定性实际上是不可知。例如,股票市场似乎是不可预测的,因为没有人可以完全考虑每个人的心理和买卖模式。天气是不可预测的,因为它取决于大量分子的动态,而这对我们来说是不可能跟踪的。

  以天气模式为例,由于混沌,

  我们的世界无序且不可预测

  高度的不确定性是复杂系统的通常状态,这些情况统称为混沌

  当系统达到一定的复杂度时,就会出现混沌,目前并没有明确的数学方程可以完全追踪其演化过程。这些系统没有特殊的属性(或对称性),除了一些一般的物理定律(即能量和动量守恒)。它们有以下特征:

  1。  模式永不重复;

  2。  最终可能会生成任意可能的构型;

  3。  小的扰动会造成大的变化。

  另一个更具计算性的观点是,混沌事件是真正有效的信息扰码技术,很像计算机中的伪随机数生成器。

  上面的第 3 点也称为蝴蝶效应。正如它的名字所暗示的,即使是蝴蝶翅膀扇动这样的微小变化也可能会导致剧烈的结果(像风暴甚至飓风)。

  从模拟的角度来看,这意味着在模拟混沌系统时,模拟结果的误差将呈指数增长:

  误差 ~ e相互作用×时间

  由于指数增长,即使是最微小的初始错误最终也会变得难以处理。鉴于计算机始终具有有限的精度,经过足够长的时间演化后,它永远无法准确预测混沌系统的结果,这也是天气等混沌系统中不确定性的来源。这个的结论非常深刻:

  无论计算机多么强大,随着错误呈指数增长,它最终都无法模拟混沌系统。

  即使是一个蝴蝶翅膀的扇动也会造成最终结果的巨大误差,世界不能被真正模拟

  换句话说,即使我们有足够的计算资源来真实地模拟系统的微观和宏观部分,它仍然与真实系统不同!

  在现代模拟中,是怎么解决这个问题的?我们生成伪随机数,然后求解统计近似值。因此,混沌的结果被概率预计,对人类来说,这些误差不会被注意到。这就是为什么一些混沌系统只产生概率结果以及可量化的不确定性(比如天气和股票预测)。

  模拟,仍然是远离现实的。

  Part.4

  模拟的视角?

  你也许可以发现我们论点中一个潜在的“缺陷”:我们默认用来分辨模拟所遵循的物理定律,并不来自于某个模拟本身。

  好吧,那假设我们当前的物理定律是错误的,世界遵循的是我们定律的“模拟”版本,我们的实验测试定律只是近似值。这意味着我们测量的所有数字都具有有限的精度,并且肯定存在等待发现的小故障和错误。

  这就是物理学的用武之地:即使用越来越高的精度和越来越小的时间间隔检查系统,也没有发现任何实验偏差或故障。

  例如,2015 年,LIGO 完成了有史以来最惊人的发现之一——两个黑洞合并产生的引力波(最终获得了 2017 年的诺贝尔奖)。这一发现源于测量由超过 10 亿光年之外的引力波引起的质子宽度的 1/10000 大小的微小距离变化!结果与爱因斯坦的方程完美匹配,没有明显的小故障或偏差。也许我们可以发现一些误差,但为此而花费的资源是没有必要的。

  2015年 LIGO 检测到引力波,

  与爱因斯坦的预测完美匹配。

  (引自:LIGO)

  更重要的是,物理定律不仅仅能与实验完美兼容,它们在理论上也是优雅完备的,在某些程度上,也是数学自洽的。当我们物理定律本身是完备且优雅的时候,也不必将其囊括在“模拟”的框架中了。加一个“模拟”的标签并不会为物理定律本身增添预测性、价值或者简单性。

  Part.5

  全能模拟?

  我们的讨论还有一个潜在的可以反驳的论点:如果我们自身经历也是模拟的呢?每次我们放大、观察或者做实验时,我们的体验都会被实时模拟,从而来模仿更复杂的世界。

  如果所有的一切都是被全能的机器

  模拟的呢?比如说神?

  到这里,模拟假说离开了科学的领域:所有的不一致都被“解释”为模拟。如果是真的,那么我们关于模拟的想法也是模拟的,那么如何相信它们是真实的想法?再深究,是关于自由意志、决定论……等等的问题,讨论就会无穷无尽。

  抛开哲学不谈,从实践的角度来看,抛弃有明确定义的物理定律,选择一个万能的“模拟”的概念并没有什么好处。这样会剥夺我们世界的可预测性和可证伪性,因为对自然现象的所有解释都可以归咎为“仅仅因为”。

  由于这个万能版本的模拟假说缺乏任何科学价值,我们将不再进一步讨论这种可能性。

  Part.6

  量子世界

  到现在,还剩一件事需要讨论:到目前为止,所有的讨论都涉及到经典物理学,忽略了所有量子力学的辉煌成就。

  将看世界的视角缩小到最小,可以看到量子力学的世界,比如这个氢原子的图像

  量子力学的引入并不会使我们的论点无效,因为经典物理学是我们讨论的领域很好的近似。然而,量子物理学确实使我们的论述不完整。完整的论述需要先定义什么是量子模拟,甚至,我们还需要对我们的量子力学世界有一个完整的了解。

  不幸的是,目前这些都还不可能实现,因为:

  1。  我们目前还没有可以工作和应用的量子计算机;

  2。  没有完全理解基础物理学在量子力学上的工作原理(特别是重力)。

  鉴于我们对量子世界的许多方面仍然不清楚,谈论我们是否生活在量子模拟中是没有意义的。因此,进一步的推测性论点不会提及。尽管如此,在量子力学中存在一些新的亮点:

  1。  由于纠缠,量子力学包含更多隐藏的复杂性,经典计算机更难以模拟它。当然,量子计算机可以部分模拟。

  2。  量子计算机受到数学定理的限制,例如不可克隆定理(No-cloning theorem)(以及等效的不可删除定理),这使得模拟假说的想法更加微妙。

  3。  最近的研究暗示了量子计算和量子引力之间的一些联系。

  一些顽固的模拟支持者可能会争辩说,世界的一些复杂性是模拟假说量子力学版本的证据。但归根结底,如果我们甚至无法定义量子模拟的含义,模拟假说也只不过是一个无关紧要的标签。

  Part.7

  结论

  在自然科学(特别是物理学),假设需要是具体且可预测的,只有这样才能具备科学价值。模拟假说同样不可避免地需要同样的判断。

  当我们试图将这个假设转变为可经科学审查修正的东西时,我们被迫将自然世界与我们现在理解的计算机模拟进行比较。可以发现,尽管计算机发展迅速,但与真实世界高度动态、高复杂性、高无序度和固有的量子力学相比,还是不堪一击。因此模拟假说作为科学假设的候选,是站不住脚的。

  如果我们仍然坚持称我们的世界为模拟的,那么它要么必须是全能的模拟,要么必须是有史以来最笨拙、效率最低的模拟。在后一种情况下,承载此类模拟的“计算机”必然具有更多的移动部件和复杂性,如果要具备科学价值的话,控制计算的物理学可能比我们世界中的物理学定律复杂得多。

  难怪在基础物理学中,关于此类主题的同行评议论文不多。这并不否认计算和模拟在某些方面可以激发理论物理学的新研究。然而,就目前而言,模拟假说只能帮助我们产生想法的灵感来源,并不能指导或影响我们对世界的理解。

  Part.8

  结语

  估计捕获我们宇宙的全部信息的计算机位数很有意思。从 LIGO 测量到的可观测宇宙的大小,大约有1045 数量级的跨度,如果每个位置都需要一位(bit)来存储,则至少需要(10453= 10135位。

  稀疏表示(sparse representation)可能是一种更有效的方式。为了估计稀疏表示下位数的下界,我们使用大约 1080 个原子,每个位置变量的精度为 1045,至少需要 100 位,总共产生 1082 位。其他信息的话可能需要更多。

  有趣的是,量子引力提供了另一种计算可观测宇宙中量子比特数的方法(或者更严格地说是与黑洞熵有关的上界),并快速计算给出了大约 10120 量子位的数量(不保证精度)。虽然我们无法准确地将量子位与经典位进行比较,但它表明宇宙中有一种非常有效的信息存储方式。虽然我们可以通过黑洞物理学来计算这个界限,但我们还不明白这些位是如何高效排列的。这只是关于量子引力的众多有趣事实之一!

  原文链接:

  https://medium.com/the-breakthrough/why-we-dont-live-in-a-simulation-a-physicist-s-perspective-1811d65f502d

  来源:中科院物理所


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