Можно ли смоделировать на компьютере всю Вселенную, вплоть до последнего атома?

Нет. Даже с невероятно мощным компьютером ученые никогда не смогут полностью смоделировать всю Вселенную на компьютере. Для этого есть несколько объективных причин.

Вселенная недетерминирована.

На фундаментальном уровне Вселенная подчиняется квантовой теории. Квантовая теория вероятностна и недетерминирована. Это означает, что если вы знаете все, что нужно знать об определенном электроне в текущий момент, а затем идеально примените все уравнения квантовой теории к электрону, вы не сможете точно предсказать, где электрон будет через минуту.

Вы можете только предсказать вероятность нахождения электрона в разных местах. Распределение вероятностей может дать вам общее представление о том, где окажется один электрон, и даже может сказать вам среднее местоположение многих электронов, но квантовая теория не может сказать вам фактическое точное местоположение электрона.

Проблема не в квантовой теории. Проблема в самом электроне. Квантовые объекты, такие как электроны, — это не маленькие твердые шарики или классические волны. Это более сложные сущности, которые в некоторой степени похожи на частицы и в то же время отчасти волнообразны. Более того, квантовые объекты изначально содержат неопределенность в своих свойствах. Электроны принципиально не имеют точного местоположения. У них есть местоположения, которые существуют только с определенной степенью определенности в результате присущей им неопределенности, которая зависит от состояния электрона.

Суть в том, что принципиально невозможно точно предсказать, что будет делать квантовый объект, потому что такой уверенности в отношении объекта вообще не существует. Даже если у нас есть вся существующая информация, мы можем только вычислить, что квантовый объект, скорее всего, сделает.

Такова природа квантового мира. А поскольку вся Вселенная — это просто набор квантовых объектов, саму Вселенную нельзя точно смоделировать. Если вы загрузите в компьютер все, что нужно знать обо всей вселенной в текущий момент, вплоть до каждого атома и частицы; и если вы безупречно внедрили в компьютер все законы физики, включая квантовую теорию с ее принципом неопределенности; а затем нажмите «Пуск», симуляция даст вам определенное предсказанное состояние Вселенной через миллион лет.

Если вы перезагрузите компьютер и снова запустите ту же самую симуляцию, вы получите немного другой результат через миллион лет в будущем. Вы даже получите совсем немного другой результат в течение двух секунд в будущем, потому что реальность квантовой природы Вселенной будет точно встроена в вашу компьютерную симуляцию.

Смоделированная Вселенная на две секунды в будущем будет точно описывать некоторую физически правдоподобную Вселенную, просто она больше не будет точно описывать нашу Вселенную. Чем больше времени проходит в моделировании, тем меньше моделируемая Вселенная будет соответствовать нашей физической Вселенной, даже если вся информация и физические законы идеально запрограммированы в компьютер. Врожденная квантовая неопределенность делает этот результат неизбежным.

Обратите внимание, что квантовая неопределенность не делает бессмысленным все компьютерное моделирование. Это просто означает, что ученые должны довольствоваться далеко не идеальными прогнозами. Чем больше количество некогерентных взаимодействующих квантовых объектов в системе, тем ниже становится квантовая неопределенность системы и тем ближе система к детерминированному действию.

Мяч содержит триллионы и триллионы некогерентных атомов и поэтому близок к детерминированному. Этот факт позволяет точно предсказать, куда приземлится брошенный мяч, на основе его начальной траектории. Квантовая неопределенность для мяча настолько мала, что кажется, что мяч приземляется именно там, где вы ожидаете.

Но, по сути, вы не можете правильно предсказать место приземление мяча с бесконечной точностью. Однако для того, чтобы поймать мяч, вам не нужна точность, близкая к бесконечной. Точно так же компьютерное моделирование атомов, клеток и галактик может дать нам ответы, очень близкие к точным, даже если мы не можем фундаментально знать или предсказать точное местоположение и импульс каждого атома и частицы в системе.

Вселенная, скорее всего, бесконечна.

В принципе, невозможно непосредственно наблюдать за бесконечным объектом за конечное время. Однако мы можем сделать разумный вывод о том, что объект бесконечен, если математически приблизиться к бесконечности, используя процедуру ограничения. Например, электрическое поле, создаваемое точечным электрическим зарядом, распространяется бесконечно во всех направлениях.

Это бесконечное свойство электрического поля не может быть непосредственно наблюдаться людьми, но может быть выведено. Если вы измеряете электрическое поле точечного заряда, находящегося на расстоянии 1 метра, равным 1000 мН / Кл, а затем, когда заряд находится на расстоянии 10 метров, вы измеряете поле как 10 мН / Кл, а затем на расстоянии 100 метров от поля заряд составляет 0,1 мН / Кл, поэтому напряженность поля зависит от расстояния r согласно 1 / r2. Исходя этой зависимости, на все больших и больших расстояниях напряженность поля точечного заряда становится все меньше и меньше, но никогда не стремится к нулю. Следовательно, электрическое поле простирается до бесконечности.

Точно так же, хотя мы не можем напрямую наблюдать Вселенную как пространственно бесконечную, все наши научные измерения и теории, кажется, указывают на то, что Вселенная действительно бесконечна. Если это правда, то это еще одна причина того, что компьютер не может полностью смоделировать всю Вселенную.

Для моделирования бесконечной Вселенной потребуется бесконечное пространство вычислительной памяти. Обратите внимание, что этот аргумент ограничивает только моделирование всей вселенной. В принципе, мы могли бы смоделировать часть Вселенной, насколько позволяет квантовая неопределенность.

Компьютер — часть вселенной.

Компьютер, который будет моделировать Вселенную, также является частью Вселенной. Следовательно, если компьютер собирается идеально моделировать всю вселенную, он также должен моделировать себя. Мало того, компьютер должен моделировать себя, выполняя идеальную симуляцию Вселенной. Которая, если она идеальна, также должна содержать имитацию компьютера.

Следовательно, симуляция должна содержать компьютер, выполняющий симуляцию всей вселенной, который должен содержать компьютер, выполняющий симуляцию всей вселенной, который должен … и так далее до бесконечности. В области информатики этот процесс известен как «бесконечная рекурсия», и он приводит к зависанию вашего компьютера и невозможности продвинуться в его вычислениях. Следовательно, компьютер, моделирующий вселенную, в которой находится компьютер, никогда не сможет точно смоделировать всю вселенную.

Вы можете сказать, что симуляция может просто имитировать всю вселенную за вычетом самого компьютера, чтобы избежать бесконечной рекурсии и при этом получить правильную симуляцию. Но этот подход не даст вам правильного моделирования, потому что все во Вселенной может взаимодействовать со всем остальным.

Мы не можем знать состояние всей вселенной.

Из-за конечной скорости света и того факта, что ничто не может двигаться быстрее света, мы можем знать только те части Вселенной, которые находятся достаточно близко, чтобы с момента Большого взрыва прошло достаточно времени для света из этих частей, чтобы добраться до нас.

Мы называем эту часть вселенной «наблюдаемой вселенной». Нам принципиально запрещено что-либо знать о регионах Вселенной за пределами наблюдаемой Вселенной. В то же время эти области все еще могут взаимодействовать с нашей наблюдаемой Вселенной и изменять ее эволюцию, если мы подождем достаточно долго.

Например, звезда, которая в настоящее время находится за пределами нашей наблюдаемой Вселенной, может направиться прямо к планете, которая находится на краю, но внутри нашей наблюдаемой Вселенной. Через некоторое время звезда сможет войти в нашу наблюдаемую Вселенную и поглотить планету. Но у нас нет возможности предсказать это событие из-за наших фундаментально ограниченных знаний о текущем состоянии всей Вселенной.