Алгоритмы
Научно-популярное
Искусственный интеллект
Физика
10 июня

Может ли разум подделать Вселенную?

Автор оригинала: Sophie Hebden
Перевод

Объективная реальность и сами законы физики возникают из наших наблюдений в соответствии с новой концепцией, которая переворачивает с ног на голову то, что мы считаем фундаментальным.


Софи Хебден
FQXi Awardees: Маркус Мюллер 1
18 января 2019 г.


Творение космоса.
Credit: Юрий Акурс, iStock


Маркуса Мюллера можно было бы ошибочно обвинить в том, что он является величайшим индивидуалистом на свете. Радикально новый взгляд квантовой физики на реальность, который он предлагает, похоже, приводит к тому, что воспринимаемый нами мир возникает из наших наблюдений. Он признает, что это очень трудная для понимания идея. «Никто еще не придумал научно-фантастический рассказ, который хоть как-то проиллюстрировал это», — говорит Мюллер — «из нашей теории следует, что фундаментально реальны только наблюдения».


Маркус Мюллер

Мюллер, который работает в Институте квантовой оптики и квантовой информации в Вене, Австрия, и его коллега-философ Майкл Каффаро из Университета Западного Онтарио, Канада, ставят под сомнение одно из основных наших предположений: реальность объективна и не зависима от нас. Мюллер и Куффаро не утверждают, что мир иллюзорен или нереален, но утверждают, что за этим стоит нечто более фундаментальное, и что их подход может объяснить происхождении реальности и то как возникают фундаментальные физические законы.

Квантовая теория уже заставила физиков серьезно относиться к роли наблюдателя. Например, до того как мы измерим квантовую систему, она может обладать противоречивыми свойствами, например, находиться в двух разных энергетических состояниях. Когда мы производим наблюдение, то вынуждаем систему принять определенное состояние, связывая акт наблюдения с самой реальностью. Мюллер и Каффаро утверждают, что они просто следуют этим путем, доводя его до логического конца. Их цель состоит в том, чтобы разработать основу для описания реальности без предположения о существовании обычных объектов со свойствами, определяемыми физическими законами2. Но как решить амбициозную задачу построения Вселенной без каких-либо строительных блоков или инструкций по ее сборке?

«Что означает с точки зрения математики, что нет законов природы? Это все равно что спросить, а что, если у тебя есть только математика? Может ли это дать вам что-то, что позволяет предсказать, что вы увидите, то есть некоторые вероятности наблюдений, не предполагая ничего другого?»- говорит Мюллер — «Это было моей отправной точкой».

Математический метод, который может помочь это сделать уже имеется. Понятие «алгоритмической вероятности» уже используется теми, кто работает над искусственным интеллектом и машинным обучением. Оно описывает вероятность наблюдения, происходящего по всему спектру возможностей, и программисты используют его для создания роботов, которые могут «учиться» на наблюдениях за средой и принимать решения на основе прошлых результатов3.

Свалка в мозге


Используя этот подход, Мюллер получил связное описание реальности из описаний наборов наблюдений, производимых одно за другим. Он начинает с наблюдения, которое закодировано каким-то способом. Сам этот способ не имеет значения, поэтому допустим, что мы используем двоичные строки с нулями и единицами. Наблюдение может быть свалкой данных в какой-то момент времени, описывающей ваше состояние длинной цепочкой битов. Мюллер заимствует математический инструмент из области искусственного интеллекта и спрашивает: насколько вероятно, что случайная компьютерная программа выдаст эти биты по чистой случайности? Это называется алгоритмической вероятностью этого наблюдения.

Мюллер постулирует, что происходящее зависит от алгоритмической вероятности, обусловленной тем, что наблюдалось в прошлом, и утверждает, что этот процесс может сформировать саму реальность. Новые наблюдения, которые не вписываются в наблюдения в прошлом, возможно миры с пятью или шестью измерениями отбрасываются, потому что их вероятность намного меньше, чем наблюдаемый мир с тремя пространственными измерениями. Наблюдения согласующиеся с тем, что мы видели в прошлом, и которые соответствуют описанию мира в обычном смысле, с обычными законами, являются наиболее вероятными. Следовательно, из наших наблюдений мы получаем «эмерджентный мир»4.

«Оказывается, алгоритмическая вероятность весьма полезное понятие», — говорит Мюллер. Физические законы и закономерности возникают таким же образом, как правильные ответы, которые дают роботы в результате обучения. «Законы имеют тенденцию стабилизироваться, и вы наблюдаете эти закономерности вокруг себя и мир с такими законами», — объясняет Мюллер — «Это имеет одно и то же математическое основание».

Ренато Реннер, физик-теоретик из Федерального института технологий, Цюрих, Швейцария, отмечает, что в физике существует долгая история попыток формулировок теорий от первого лица5. Но в отличие от большинства попыток Мюллеру удалось разработать «четко определенную теорию, в рамках которой могут быть получены нетривиальные результаты», — говорит Реннер — «Это просто замечательно!». «Говоря по простому Мюллер предоставил количественную версию бритвы Оккама: она присваивает высокие вероятности будущим возможным событиям, которые имеют самое простое объяснение».

Больцмановский мозг


Наряду с объяснением, почему вообще существуют законы природы, подход Мюллера может также разрешить некоторые печально известные головоломки в космологии и квантовой теории. Одна из самых странных известна, как «проблема больцмановского мозга». Это понятие восходит к концу 19-го века, когда физик Людвиг Больцман опубликовал теорию, утверждающую, что энтропия или беспорядок закрытой системы всегда увеличивается. Подумайте о горячем кофе в ящике: беспорядок в этой системе со временем будет увеличиваться, так как тепловая энергия кофе будет рассеиваться в окружающем воздухе. Но всегда есть вероятность того, что часть системы будет флуктуировать от беспорядка к порядку.

Больцман считал, что необычайная сложность жизни на Земле, включая наш мозг, является результатом этих случайных флуктуаций, и что они могут происходить где угодно во Вселенной. Он предсказал возникновение самоосознающих сущностей, позже названных больцмановскими мозгами, спонтанно появляющихся и исчезающих. Что еще более странно космологи в последние годы подсчитали, что многие модели Вселенной предполагают, что число больцмановских мозгов должно значительно превосходить число нормальных человеческих. Как вы можете быть уверены, что вы не больцмановский мозг, и что ваше следующее появление не произойдет в глубинах космоса?

Теория Мюллера дает обнадеживающий ответ: продолжать существовать как обычно на Земле гораздо проще, чем внезапно оказаться в космосе. И если что-то в теоретико-информационном смысле проще, то алгоритмическая вероятность говорит, что это более вероятно.

Идеи пока не до конца проработаны — Мюллер не опубликовал их еще в рецензируемом журнале. Но концепция вызвала большой интерес, и приглашения на конференцию хлынули потоком. Роб Спеккенс, физик-теоретик из Института периметра в Канаде считает, что теория алгоритмической информации найдет много приложений в физике в будущем, и аплодирует Мюллеру за то, что он один из немногих людей принявших вызов. «Это очень оригинальный и наводящий на размышления материал», — заявил он.

Но в теории имеются шероховатости говорит Рудигер Шак, математик из Ройал Холлоуэй, Лондонский университет, Великобритания, который работает над альтернативной интерпретацией квантовой теории, которая также отдает наблюдателю центральную роль, называемую QBism (на wiki). Хотя Шак восхищается математической строгостью проекта, он обеспокоен отсутствием четкого определения агентов — людей, производящих наблюдения в теоретических построениях Мюллера. «Агенты теории Мюллера — это странно уменьшенные сущности, определяемые случайным процессом», — говорит Шак — «Определяющей чертой агентов должно быть то, что они делают выбор и действуют». В теории Мюллера, напротив, концепция действия, а также мир, в котором действуют агенты, являются вторичными следствиями теории. «Мне это не подходит», — резюмирует Шак.

Мюллер соглашается с тем, что понятие «действия агента» не является частью фундаментального описания в его теории, однако он не видит в этом недостатка. «Выбор действий — это вторичное понятие, которое не должно быть фундаментальной частью любой физической теории», — говорит Мюллер — «Так же, как эмоции или свобода воли. Этот взгляд согласуется с традиционным мышлением, например, в космологии».

Реннер, который видел предварительный вариант работы Мюллера, утверждает что это одна из самых интересных статей, которую он прочитал за последние пару лет (arXiv:1712.018266, короткий вариант статьи arXiv:1712.01816), заставляющих задуматься. «Ввиду концептуальных проблем, с которыми мы сталкиваемся в наших нынешних физических теориях, особенно в квантовой теории», — говорит Реннер — «такие радикально разные подходы, на мой взгляд, крайне необходимы».

Примечания автора перевода

1. FQXi — Виртуальный Институт Фундаментальных Исследований. Поддерживает исследования в области фундаментальной физики и космологии путем выделения грантов. На поддержку данного проекта было выделено более $100 000.

2. Автор статьи вслед за разработчиками теории использует термин объективная реальность, но речь идет скорее о воспринимаемой органами чувств реальности, описываемой законами физики. Исходно в теории вводятся определения двух типов существования объектов: P-существование и M-существование. На базе P-существования определяется P-мир, который можно трактовать, как существование объективной реальности в метафизическом смысле этого понятия. M-существование можно обобщенно понимать, как существование некой универсальной вычислительной среды, которую в применении к наблюдателю-человеку можно трактовать, как вычислительную нейросетевую среду мозга. Хотя авторы теории не проводят таких параллелей в явном виде, и вообще стараются не злоупотреблять в работе широкими обобщениями, что характерно для работ на подобную тематику.

3. Возможно, подход изложенный в статье заинтересует специалистов, работающих над проблематикой ИИ, по этой причине в список хабов включил хабы «Искусственный интеллект» и «Алгоритмы». На Хабре по тематике алгоритмической сложности и алгоритмической вероятности имеется немало публикаций, из которых выделяются публикации пользователя aideus, посвященные использованию этих понятий в области ИИ, см. 1, 2, 3. Возможно, все это малоактуально в свете последних достижений с использованием ИНС в разработке ИИ, тем не менее.

4. Эмерджентный в смысле появления нового целостного качества, ранее отсутствовавшего у частей.

5. Наиболее близкими по духу к этой работе являются публикации А. Каминского по субъективной физике. Вообще к этой теме можно отнести работы и дискуссии связанные с ролью наблюдателя и, в частности, его сознания в физике, начиная с дискуссий по проблеме измерений в КМ в период ее создания, и завершая пророчествами дяди Роджера:) в наше время. По мнению автора перевода, проблема наблюдателя имеет существенно междисциплинарный характер, и не может быть решена полноценно только в рамках физики.

6. Статья получилась несколько водянистой, как это иногда бывает со статьям научно-популярной направленности:), поэтому для заинтересовавшихся добавил перевод аннотации самой работы:

Заголовок спойлера
В соответствии с современной концепцией физики предполагается, что любая достоверная физическая теория должна описывать объективную эволюцию уникального внешнего мира. Однако это предположение оспаривается квантовой теорией, которая предполагает, что физические системы не всегда следует понимать как обладающие объективными свойствами, которые просто выявляются при измерении. Кроме того, как утверждается ниже, некоторые другие концептуальные проблемы в основаниях физики и смежных областях указывают на возможные ограничения текущей перспективы и мотивируют исследование альтернатив. В этой статье предлагается такой альтернативный подход, который начинается с (строго формализованного) понятия «состояния наблюдателя», как его первичного понятия, и он исходно не предполагает существования «мира» или физических законов. Это можно свести к одному постулату, а именно, индукции Соломонова, правильно предсказывающей будущие наблюдения. Используя инструменты из алгоритмической теории информации, показывается, что полученная теория предсказывает, что наблюдателям кажется, что существует мир, который эволюционирует в соответствии с алгоритмически простыми, вычислимыми, вероятностными законами. В отличие от стандартного представления, объективная реальность не предполагается при таком подходе, а скорее возникает как асимптотическое статистическое явление. Получившаяся теория разгадывает загадки подобные проблеме больцмановского мозга в космологии, делает конкретные прогнозы для мысленных экспериментов включающих дублирование и компьютерное моделирование наблюдателей, и предсказывает новые явления, такие как «вероятностные зомби», управляемые наблюдатель-зависимыми вероятностями. Подход идентифицирует некоторые явления квантовой теории (нарушение неравенства Белла и отсутствие сигнализации) как типичные следствия теоретико-информационных особенностей памяти агента и предполагает, что мы переключаем наше внимание в основаниях квантовой механики с вопроса «что происходит на самом деле?» на вопросы об алгоритмах, причинно-следственных связях и вычислительных моделях. Эта работа не предназначена для того, чтобы быть «теорией всего», а скорее представляет собой концептуальное доказательство принципа для нового подхода к фундаментальным вопросам, который ставит субъективное наблюдение в центр внимания.
+17
12,8k 69
Комментарии 35