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我们可以完全模拟我们的世界吗？

发布于：2024-06-28 编辑：匿名来源：网络

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本文来自微信公众号“中国科学院物理研究所”（cas-iop）作者：Tim Lou 译者：Nuor 审稿人：zhenni 编辑：Dannis 简单地把我们生活的现实世界理解为一个模拟，是非常重要的低估了我们世界的复杂性。

这就是为什么模拟假设没有意义。

模拟世界和电影《黑客帝国》一样吗？恐怕随着人工智能的发展和计算能力的增强，计算机似乎无所不能。

从超现实的 3D 渲染到深度伪造图像和视频，完全模拟现实的可能性看起来指日可待。

科技的进步引发人们思考“计算机是否能够模拟现实世界”。

下一个问题是：“我们生活在一个模拟世界中吗？”抛开所有耸人听闻的论据，这个模拟假说背后的科学原理是什么呢？作为一个广为流传的假说，肯定做过一些实验来验证它……对吧？好吧，作为一名前粒子物理研究员，我可以说答案是否定的。

原因如下： 1、提出或相信模拟假设的前提不可靠； 2.传统的模拟在很多方面与我们所了解的现实不符。

现在，让我们详细阐述这些想法。

拆解模拟论证模拟假设的一般论证是： 1. 计算能力呈指数增长（摩尔定律）。

2. 我们的世界遵循简单且逻辑的规律，并且很容易被计算机模拟。

3. 推断表明，未来的计算机将能够创建和模拟与我们相似的世界。

4.最终，模拟世界将会比普通世界更多。

因此，我们的世界很可能已经是一个模拟世界了。

事实上，以上所有论点都是错误的： 1. 所有具有指数增长的现实世界系统最终都会放缓（例如人口增长、病毒传播）。

对于像摩尔定律这样不基于任何基本定律的经验观察，没有证据表明这种趋势会持续下去。

2. 简单的物理定律并不意味着可以通过模拟来修改，稍后将详细解释。

3. 鉴于1和2都是假的，没有理由相信计算机可以模拟我们的现实世界。

4. 考虑到1、2、3，整个论证是不充分的，整个观点是弄巧成拙的。

这是对错误的贝叶斯论证的补充，不会过多讨论。

考虑到从物理学的角度来表述这个问题，本文主要关注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。

关键是：我们的世界隐藏着不可估量的复杂性，远远超出了模拟所能实现的范围。

让我们探讨一下这意味着什么。

我们的世界隐藏的复杂性人类在以人为中心的任务中非常高效，例如四处走动和与物体交互。

这些任务都涉及宏观物体（相对于我们人类的尺度）。

例如，在阅读时，我们不会注意纸张上墨水的微观结构或屏幕上单个像素的图案。

我们只需要看视野中的整体图像即可；微观墨水或像素的排列完全无关。

然而，这并不意味着复杂的墨水/像素图案不存在或不相关，即使它们与我们无关。

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出了我们理解底层故事所需的复杂性。

结论很简单：世界包含的细节远比我们关心的多。

为什么这很重要？当我们谈论模拟时，比如虚拟现实和游戏，我们只需要模拟宏观现象而忽略微观细节。

当然，这对于模拟来说不是问题。

只要主要的宏观现象是准确的，模拟就完成了它的工作（对于人眼来说）。

事实上，这种微观的省略往往是提高效率的重要体现。

毕竟，为什么要花费过多的计算内存来模拟我们不会注意到的事情呢？我们发现计算机模拟只捕捉宏观内容而忽略微观细节。

事实上，有一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张上墨水的细节。

如果您需要更多细节，请使用显微镜观察更多。

在更极端的情况下，我们甚至可以蒸发墨水并使用加速器来观察其在亚原子世界中的成分。

当然，如果投入更多的计算资源来模拟世界的微观细节，有一天肯定可以模拟到原子尺度甚至更深……对吗？事实上，这有点困难。

从我们的物理实验来看：我们观测的最大视角达到可观测宇宙边缘最远的星系（约1亿光年），最小的亚原子粒子（~fm，约万亿分之一米，夸克大小）的）。

整个世界的尺度和比例差异都是相似的，到目前为止，还没有发现像素或故障的迹象。

这种规模的规模远远超过了我们快速发展的计算机的计算能力。

事实上，人类将会在更广阔的范围内探索世界，因此整个宇宙的真实尺寸将会更大。

我们生活的世界是模拟的吗？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）到目前为止，在本次讨论中，我们甚至还没有触及动力学。

如果将宇宙数十亿年的动态演化添加到模拟假设中会发生什么？事实证明，模拟假设更加不可信。

混乱的世界我们的世界是高度动态的，从微观到宏观，每时每刻都在发生着不可估量的变化。

变化带来不可预测性：从天气模式到股票市场再到赌场，不确定性已融入我们的社会。

大多数情况下，我们所说的不确定性实际上是不可知性。

例如，股票市场似乎不可预测，因为没有人能够完全解释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，而我们无法追踪。

以天气模式为例。

由于混乱，我们的世界变得无序且不可预测。

高度不确定性是复杂系统的常见状态。

这些情况统称为混沌。

当系统达到一定复杂度时，就会出现混沌，目前还没有明确的数学方程可以完全追踪其演化过程。

除了一些一般物理定律（即能量和动量守恒）之外，这些系统没有特殊的性质（或对称性）。

它们具有以下特点： 1. 模式永不重复； 2.最终可能会生成任何可能的配置； 3. 小的扰动可以引起大的变化。

另一种更具计算性的观点是，混沌事件是真正有效的信息置乱技术，很像计算机中的伪随机数生成器。

上述第 3 点也称为蝴蝶效应。

顾名思义，即使蝴蝶翅膀拍动的微小变化也可能导致戏剧性的结果（如风暴甚至飓风）。

从仿真的角度来看，这意味着在仿真混沌系统时，仿真结果中的误差将呈指数增长： Error ~ e interaction × time 由于指数增长，即使是最小的初始误差最终也会变得难以控制。

由于计算机的精度始终有限，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的不确定性来源。

结论是深刻的：无论计算机多么强大，随着误差呈指数级增长，它最终将无法模拟混沌系统。

即使是蝴蝶翅膀的扇动也会给最终结果带来巨大的误差，并且无法真正模拟世界。

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！现代模拟中如何解决这个问题？我们生成伪随机数，然后求解统计近似值。

因此，混乱的结果是概率预测的，而对于人类来说，这些错误是不易察觉的。

这就是为什么一些混沌系统只产生概率结果和可量化的不确定性（例如天气和股票预测）。

模拟与现实还相去甚远。

模拟视角？您也许能够在我们的论点中发现一个潜在的“缺陷”：我们默认区分模拟的物理定律并非来自模拟本身。

好吧，这是假设我们当前的物理定律是错误的，世界遵循我们的定律的“模拟”版本，并且我们经过实验测试的定律只是近似值。

这意味着我们测量的所有数字的准确性都有限，并且肯定存在小故障和错误等待发现。

这就是物理学的用武之地：即使以越来越高的精度和越来越小的时间间隔来检查系统，也没有发现实验偏差或故障。

例如，2007年，LIGO做出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2007年的诺贝尔奖）。

这一发现源于对十亿光年外引力波引起的 1/0 质子宽度大小的微小距离变化的测量！结果与爱因斯坦方程完美匹配，没有明显的故障或偏差。

也许我们可以发现一些错误，但是为此花费的资源是不必要的。

LIGO 在 2016 年探测到了引力波，与爱因斯坦的预测完美吻合。

（引自：LIGO）更重要的是，物理定律不仅与实验完美兼容，而且在理论上也是优雅而完整的，并且在某种程度上在数学上是自洽的。

当我们的物理定律本身完整且优雅时，就没有必要将它们纳入“模拟”的框架中。

添加“模拟”标签并不会增加物理定律本身的可预测性、价值或简单性。

多合一模拟？我们的讨论存在一个潜在的反驳：如果我们自己的经历是模拟的怎么办？每次我们放大、观察或实验时，我们的体验都会被实时模拟，以模仿一个更复杂的世界。

如果一切都由全能机器模拟会怎样？像上帝一样？此时，模拟假设离开了科学领域：所有不一致都被“解释”为模拟。

如果这是真的，那么我们关于模拟的想法也是模拟，那么我们怎么能相信它们是真实的想法呢？如果我们深入探讨自由意志、决定论等问题，讨论将会无穷无尽。

撇开哲学不谈，从实践的角度来看，放弃明确定义的物理定律而转而采用一刀切的“模拟”概念几乎没有什么好处。

这将剥夺我们的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因于“只是因为”。

由于这种一刀切的模拟假设缺乏任何科学价值，因此我们不会进一步讨论这种可能性。

到目前为止，在量子世界中，还有一件事需要讨论：到目前为止，所有的讨论都涉及经典物理，而忽略了量子力学的所有辉煌成就。

通过将观察世界的视角缩小到最小，我们可以看到量子力学的世界，比如这张氢原子的图像。

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正在讨论的领域的一个很好的近似。

然而，量子物理学确实让我们的论证不完整。

完整的讨论首先需要定义什么是量子模拟，更重要的是，我们需要对量子力学世界有一个完整的理解。

不幸的是，目前这一切都是不可能的，因为：1.我们还没有一台可用的量子计算机，2.我们不完全理解量子力学中的基础物理（尤其是引力）是如何工作的。

鉴于我们仍然不了解量子世界的许多方面，谈论我们是否生活在量子模拟中是没有意义的。

因此，进一步的推测性争论将不再提及。

尽管如此，量子力学也有一些新的亮点： 1、量子力学由于纠缠而包含更多隐藏的复杂性，使得经典计算机更难以模拟它。

当然，量子计算机可以进行部分模拟。

2. 量子计算机受到不可克隆定理（以及等效的不可删除定理）等数学定理的限制，这使得模拟假设的想法更加微妙。

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认为，世界的某些复杂性是模拟假设的量子力学版本的证据。

但最终，如果我们甚至无法定义量子模拟的含义，那么模拟假设只不过是一个不相关的标签。

结论在自然科学（尤其是物理学）中，假设需要具体且可预测才能具有科学价值。

模拟假设也不可避免地需要同样的判断。

当我们试图将这一假设转变为可以通过科学审查进行修正的东西时，我们被迫将自然世界与我们现在所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，但仍然容易受到现实世界的高动态、高复杂性、高无序性和固有的量子力学的影响。

因此，模拟假设作为科学假设的候选者是站不住脚的。

如果我们仍然坚持将我们的世界称为模拟，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且效率最低的模拟。

在后一种情况下，承载这种模拟的“计算机”必然具有更多的移动部件和复杂性，并且如果要成为科学的，控制计算的物理定律可能比我们世界的物理定律复杂得多。

价值。