В истории науки демон Лапласа был заметным опубликованным выражением причинного детерминизма на научной основе Пьером-Симоном Лапласом в 1814 году. [1] Согласно детерминизму, если кто-то (демон) знает точное местоположение и импульс каждого атома во вселенной, их прошлые и будущие значения для любого заданного времени вытекают отсюда; их можно рассчитать по законам классической механики . [2]
Открытия и теории в последующие десятилетия предполагают, что некоторые элементы оригинального письма Лапласа неверны или несовместимы с нашей вселенной. Например, необратимые процессы в термодинамике предполагают, что «демон» Лапласа не мог реконструировать прошлые положения и моменты из текущего состояния. [ необходимо разъяснение ]
Мы можем рассматривать настоящее состояние вселенной как следствие ее прошлого и причину ее будущего. Интеллект, который в определенный момент знал бы все силы, приводящие природу в движение, и все положения всех предметов, из которых состоит природа, если бы этот интеллект был также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, он бы охватил в одной формуле движения величайших тел вселенной и движения мельчайшего атома; для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, могло бы быть перед его глазами.
— Пьер Симон Лаплас, Философское эссе о вероятностях [3]
Этот интеллект часто называют демоном Лапласа (а иногда и Сверхчеловеком Лапласа , в честь Ганса Рейхенбаха ). Сам Лаплас не использовал слово «демон», которое было более поздним украшением. В переводе на английский язык выше он просто говорил: «Une intelligence ... Rien ne serait incertain pour elle, et l'avenir, comme le passé, serait présent à ses yeux». Эта идея, по-видимому, была широко распространена примерно в то время, когда Лаплас впервые высказал ее в 1773 году, особенно во Франции. Вариации можно найти у Мопертюи (1756), Николя де Кондорсе (1768), барона д'Гольбаха (1770) и недатированного фрагмента в архивах Дидро . [4] Недавние исследования показывают, что образ сверхмощного вычислительного интеллекта был также предложен Роджером Джозефом Босковичем в его «Theoria philosophiae naturalis» 1758 года . [5]
По словам инженера-химика Роберта Улановича в его книге 1986 года « Рост и развитие» , демон Лапласа встретил свой конец с развитием в начале 19 века концепций необратимости , энтропии и второго закона термодинамики . Другими словами, демон Лапласа был основан на предпосылке обратимости и классической механике; однако Уланович указывает, что многие термодинамические процессы необратимы, так что если термодинамические величины считать чисто физическими, то такой демон невозможен, поскольку невозможно восстановить прошлые положения и импульсы из текущего состояния.
Термодинамика максимальной энтропии придерживается совершенно иной точки зрения, считая, что термодинамические переменные имеют статистическую основу, которая отделена от детерминированной микроскопической физики. [6] Однако эта теория столкнулась с критикой относительно ее способности делать предсказания относительно физики; ряд физиков и математиков, включая Ивана Веленика с кафедры математики Женевского университета , указали, что термодинамика максимальной энтропии по сути описывает наши знания о системе, но не описывает саму систему. [7]
Из-за своего канонического предположения о детерминизме демон Лапласа несовместим с копенгагенской интерпретацией , которая предполагает неопределенность . Интерпретация квантовой механики все еще остается открытой для дискуссий, и многие придерживаются противоположных взглядов (например, многомировая интерпретация и интерпретация де Бройля-Бома ). [8]
Теория хаоса иногда указывается как противоречащая демону Лапласа: она описывает, как детерминированная система может, тем не менее, демонстрировать поведение, которое невозможно предсказать: как в эффекте бабочки , незначительные изменения между начальными условиями двух систем могут привести к значительным различиям. [9] Хотя это объясняет непредсказуемость в практических случаях, применение ее к случаю Лапласа сомнительно: в рамках гипотезы строгого демона все детали известны — с бесконечной точностью — и, следовательно, изменения в начальных условиях не существуют. Иными словами: теория хаоса применима, когда знание системы несовершенно, тогда как демон Лапласа предполагает идеальное знание системы, поэтому изменчивость, приводящая к хаосу в теории хаоса, и неизменяемость в знании мира, которое утверждает демон Лапласа, несопоставимы.
В 2008 году Дэвид Вулперт использовал диагонализ Кантора , чтобы оспорить идею демона Лапласа. Он сделал это, предположив, что демон является вычислительным устройством, и показал, что никакие два таких устройства не могут полностью предсказать друг друга. [10] [11] Статья Вулперта была процитирована в 2014 году в статье Йозефа Рукавицки, где представлен значительно более простой аргумент, который опровергает демона Лапласа с использованием машин Тьюринга, при предположении о свободной воле. [12]
В полном контексте демон Лапласа, как он задуман, бесконечно далек от человеческого разума и, таким образом, никогда не сможет помочь человечеству в его попытках предсказать будущее:
Все эти усилия в поисках истины имеют тенденцию постоянно возвращать [человеческий разум] к огромному интеллекту, о котором мы только что упомянули, но от которого он всегда будет оставаться бесконечно далеким.
— Пьер Симон Лаплас, Философское эссе о вероятностях [3]
Несмотря на это, английский физик Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени » сказал , что «Лаплас предположил, что должен существовать набор научных законов, которые позволили бы нам предсказать все, что произойдет во Вселенной». [13]
Аналогичным образом, в книге Джеймса Глейка «Хаос » автор, по-видимому, смешивает демона Лапласа с «мечтой» о человеческой детерминированной предсказуемости и даже утверждает, что «Лаплас кажется почти шутом в своем оптимизме, но большая часть современной науки последовала за его мечтой» (стр. 14).
Недавно демон Лапласа был призван для разрешения известного парадокса статистической физики, парадокса Лошмидта . [14] Аргумент состоит в том, что для того, чтобы обратить все скорости в газовой системе, измерения должны быть выполнены тем, что фактически становится демоном Лапласа. Это, в сочетании с принципом Ландауэра , позволяет выйти из парадокса.
Недавно был предложен предел вычислительной мощности Вселенной, то есть способности демона Лапласа обрабатывать бесконечное количество информации. Предел основан на максимальной энтропии Вселенной, скорости света и минимальном количестве времени, необходимом для перемещения информации через длину Планка , и было показано, что эта цифра составляет около 10 120 бит. [15] Соответственно, все, что требует больше этого количества данных, не может быть вычислено за количество времени, которое прошло во Вселенной до сих пор. Простое логическое доказательство невозможности идеи Лапласа было выдвинуто в 2012 году Егором Резниковым, который утверждает, что демон не может предсказать свою собственную будущую память. [16]