Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zatím jsem vyloučil možnost, že by dokonalá simulace vesmíru mohla být provedena v témže vesmíru. Ale co nedokonalá simulace, při níž je s vysokou věrností reprodukována pouze část vesmíru a zbytek je nějak aproximován? To by snížilo výpočetní náklady – nazvěme takový postup „hypotéza úsporné simulace“.
Viz také úryvek z téže knihy: Slabiny simulační hypotézy
Na první pohled jsou úsporné simulace přirozenou extrapolací simulací, které provádíme dnes. Zjednodušení fyziky je nedílnou součástí našeho postupu, tak zásadní, že pro ni máme dokonce název: podmřížka. Kdykoli je důležité jít do detailů, ale nelze je zachytit následkem nedostatečného rozlišení – například vznik mraků a deště v případě počasí nebo chování hvězd a černých děr v galaxiích –, přidávají tvůrci simulací pravidla podmřížky, která přibližně napodobují to, co chybí. Navíc kosmologové nepotřebují nutně používat v celé simulaci pevné rozlišení; když se zajímáme o to, jak se formují galaxie, často instruujeme počítač, aby zobrazil maximálně podrobně jen jednu nebo dvě, zatímco zbytku virtuálního vesmíru je věnována minimální pozornost. V případě nějaké simulace ve velmi vzdálené budoucnosti by to mohlo znamenat, že se fyzikální parametry a pochody propočítávají s vysokou přesností jen v jedné sluneční soustavě, zatímco odlehlejší části vesmíru jsou rekonstruovány jen zhruba, k čemuž se hojně využívají podmřížkové předpisy.
Předpokládejme na chvíli, že žijeme uvnitř takové simulace. Simulovaná realita má několik vrstev: vnitřní jádro, ve kterém se nacházíme, a vnější část, která je značně zjednodušena na soubor dílčích pravidel, které vytvoří cosi jako počítačově generované pozadí ve filmu. Simulace ale musí být vytvořena tak, abychom si díky znalostem shromážděným v experimentech a observatořích, nemluvě o detektorech gravitačních vln, neutrin nebo kosmického záření, nevšimli hranice mezi oblastmi, kde platí úplná fyzika a kde jen zjednodušená. Pokud víme, fyzika ve vesmíru se mimořádně podobá fyzice zde na Zemi. S každým pokrokem naší technologie, tako byl třeba ten, který umožnil první detekci gravitačních vln, s každým vylepšením našich teleskopů přichází možnost, že dosáhneme takové pokročilosti, že si všimneme rozdílu mezi vnitřní realitou a vnější počítačově generovanou grafikou.
Dosud jsme takový nesoulad nezjistili, což znamená, že předpokládaní autoři simulací museli naše pokročilejší experimenty a měření předvídat a vytvořili předpisy pod-mřížky, které jsou vůči tomuto útoku odolné. Mně to připadá jako konspirační teorie. Někteří fyzici, mimo jiné vynikající kosmolog John Barrow, však zastávají opačný názor a tvrdí, že to, co nazývám hypotézou úsporné simulace, je vědecky ověřitelná teze. Testem, zda žijeme v takové simulaci, by bylo hledání nepřesností, něco jako „chyby v Matrixu“.11
O tomto tvrzení pochybuji. I kdyby experimenty nebo pozorování zjistily něco, co vypadá jako nepřesnost, nikdo by se nemohl být jistý, že nejde jen o nějaký nový, dosud nepochopený, ale přirozený jev. Objevy v tomto směru by mohly být vzrušující, anebo by mohly být opakováním debaklu OPERA s neutriny rychlejšími než světlo, ale ani v jednom případě by nedokazovaly, že žijeme v simulaci. Jádro problému spočívá v tom, že pokud nejsme přesvědčeni
o účelu úsporné simulace, nemůžeme smysluplně spekulovat o tom, jaká zjednodušení podmřížky by byla pro její tvůrce přijatelná. Obávám se, že hledání chyb je cvičení v analýze dat odtržené od jakéhokoli jasného teoretického základu a v kapitole 6 jsem tvrdil, že taková cvičení nejsou vědou. Srovnejte hledání chyb s nepochybně spekulativními koncepty hlavního proudu kosmologie, jako jsou inflace, temná hmota a temná energie. Každý z těchto tří pilířů má jasnou motivaci a vede k očekáváním, která lze testovat, jak jsem o tom hovořil v předchozích částech knihy. Mají řadu proměnlivých a sporných aspektů a jednoho dne mohou být nahrazeny propracovanějšími představami; jsou to však fungující teorie se základním předpokladem, na němž lze založit naše očekávání a motivovat konkrétní pozorování nebo experimenty.
Při bližším zkoumání zůstává základní předpoklad hypotézy úsporné simulace nedefinován. Má-li být hypotéza něčím jiným než konspirační teorií, bude někdo muset jasně objasnit, jaký je navrhovaný cíl budoucích vědců. To je výchozí bod pro pochopení druhu podmřížky, která by byla ve hře, a tedy i druhu testů, které bychom mohli sestavit k jejich odhalení.
Osobně pochybuji, že se budoucí civilizace budou zatěžovat s vytvářením simulací kompatibilních se simulační hypotézou v jakékoli podobě. Není to proto, že bych byl natolik pesimistický, abych měl pocit, že v budoucnu přestaneme být zvídaví nebo že přijdeme o schopnost bádat. Spíš naopak optimisticky předpokládám, že svou zvídavost a technickou zdatnost zaměříme na něco zajímavějšího.
Abychom pochopili víc, je čas znovu se podívat na to, čeho dosáhly naše současné simulace.
simulace jako výpočty
Vědci budoucnosti se možná nebudou pokoušet o zcela detailní rekonstrukce vesmíru, ale dost možná se budou hodně opírat o různé druhy simulací. Věda a její rozvoj vždy držely krok s rozvojem techniky, ale hodnoty tvořící její podstatu se od dob osvícenství příliš nezměnily. Filozof Francis Bacon, který žil v sedmnáctém století, se obával, že naše smyslové zkušenosti jsou subjektivní, a proto mohou vést k naprosto chybným závěrům, Radil proto provádět promyšlené experimenty, díky nimž bude možné mylné představy korigovat. Věřil, že prováděním co největšího počtu kontrolovaných experimentů, zobecňováním jejich výsledků s cílem vyvodit předběžné závěry, které mohou být později revidovány, a širokým sdílením získaných poznatků, může lidstvo lépe pochopit a ovládnout přírodu.
Historie mu dala za pravdu. Jako kosmolog jsem ale povinen dodat, že experimenty nejsou vždy možné. Protože nejsme schopni ovládat vesmír jako celek, musíme se někdy spokojit s tím, co se příroda rozhodla sama odhalit prostřednictvím světla přicházejícího z nejvzdálenějších koutů vesmíru. Podstata vědy založené na hypotézách nicméně zůstává, protože můžeme formulovat předpovědi o tom, co uvidíme nějakým novým teleskopem, a tyto předpovědi ověřovat. Kam v tomto procesu vytváření a testování hypotéz patří simulace?
Vezměme si například velký hadronový urychlovač (LHC), obrovské experimentální zařízení v mezinárodním výzkumném středisku v Ženevě, kde nechávají srazit dvě rychle letící částice a pak sledují, co se stane. Dvě sněhové koule, které do sebe v malé rychlosti narazí, se pravděpodobně spojí dohromady nebo se od sebe odrazí, ale při velké rychlosti se roztříští na prach. Něco podobného se děje v subatomové fyzice, i když tam je třeba přidat vrstvu kvantové podivnosti: protože částice jsou balíček energie v kvantových polích, úlomky vznikající při srážce se mohou lišit od částic, které se srazily. Jako by v případě sněhových koulí po srážce vzniklo něco cukru, mouky nebo práškové barvy.
Urychlovač LHC se proslavil především nalezením Higgsových bosonů v pozůstatcích po srážkách protonů. Simulace byly pro toto hledání klíčové. Nic takového jako detektor Higgsova bosonu totiž neexistuje, protože Higgsův boson je jen dočasným, nestabilním vedlejším produktem srážky a rychle se rozpadá na exoticky pojmenované částice, jako jsou kvarky a gluony. A co je matoucí, všechny tyto částice vznikají při samotné původní srážce bez ohledu na to, zda se při ní Higgsův boson vyskytuje. Zjistit, co se skutečně stalo, je inverzní problém, který nutí fyziky porovnávat experimentální data s různými scénáři – co by bylo vidět, kdyby byl bude Higgsův boson přítomen, a kdyby přítomen nebyl. Výpočet, kolik částic a jakého typu a energií se objeví a bude detekováno v každé takové situaci, je pro člověka neproveditelný. Musí nastoupit počítačové simulace poskytující příslušné předpovědi, takže se simulace nepřímo podílejí na samotném objevu.
Podobné příklady byly popsány v předchozích kapitolách. Při detekci gravitačních vln je třeba jejich konkrétní tvar porovnat se simulacemi srážek černých děr nebo neutronových hvězd, aby bylo možné interpretovat, co se vlastně stalo. Podobně porovnáním pozorování velkorozměrných vesmírných struktur, provedených teleskopy, s předpověďmi ze simulací bylo zjištěno, že temná hmota nemůže být složena z neutrin.
Z tohoto pohledu jsou simulace spojovacím článkem v procesu vědeckého bádání. Neposkytují hypotézu, ta je dána příslušnou teorií. Neposkytují ani data; ta získáváme z experimentů nebo pozorováním. Spíše zprostředkují spojení mezi nimi tím, že předpovídají, jaká by byla data v případě jednotlivých hypotéz. Komplikace spočívá v tom, že předpověď simulací je vždy jen přibližná; jak jsem shrnul výše, jsme nuceni zjednodušovat, aby byl výpočet schůdný. K umění simulace patří schopnost pochopit, jestli zjednodušení takové porovnání nezkresluje.
tento text je úryvkem z knihy:
Andrew Pontzen
Vesmír v krabici: Nové dějiny vesmíru
Argo a Dokořán 2024
O knize na stránkách vydavatele
Anotace:
Kosmolog Andrew Pontzen vysvětluje, jak nekonečný vesmír dostat do skladné a přenosné krabice – do počítače. Záhadné dění ve vesmíru, které přesahuje lidské chápání i lidská měřítka času a prostoru, je možné uchopit pomocí počítačových simulací; s pomocí simulací lze popsat vývoj galaxií, splývání černých děr či úlohu temné hmoty. Tato metoda byla vyvinuta pro modelování pochodů v zemské atmosféře a předpovídání počasí, od té doby se neustále zpřesňuje, zdokonaluje a nalézají se nové způsoby jejího využití. Autor, sám tvůrce simulací kosmu, vypráví příběh této metody, lidí, kteří ji rozvíjeli, i objevů, ke kterým přispěla.
