В истории науки демон Лапласа был заметной опубликованной формулировкой 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 подразумеваются их прошлые и будущие значения для любого данного времени; их можно вычислить по законам классической механики . [2]
Открытия и теории, сделанные в последующие десятилетия, предполагают, что некоторые элементы оригинального сочинения Лапласа неверны или несовместимы с нашей Вселенной. Например, необратимые процессы в термодинамике предполагают, что «демон» Лапласа не мог восстановить прошлые положения и моменты из текущего состояния.
Мы можем рассматривать нынешнее состояние Вселенной как следствие ее прошлого и причину ее будущего. Разум, который в определенный момент знал бы все силы, приводящие природу в движение, и все положения всех предметов, из которых состоит природа, если бы этот разум был также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, он бы охватил в единой формуле движения величайших тел Вселенной и движений мельчайшего атома; для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным, и будущее, как и прошлое, могло бы предстать перед его глазами.
- Пьер Симон Лаплас, Философский очерк вероятностей [3]
Этот интеллект часто называют демоном Лапласа (а иногда и Суперменом Лапласа , в честь Ганса Райхенбаха ). Сам Лаплас не употреблял слово «демон», которое было более поздним украшением. В переводе на английский, приведенном выше, он просто упомянул: «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 г.), Николя де Кондорсе (1768 г.), барона Д'Гольбаха (1770 г.), а также недатированный фрагмент 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 «Рост и развитие» 1986 года , демон Лапласа встретил свой конец с развитием в начале 19 века концепций необратимости , энтропии и второго закона термодинамики . Другими словами, демон Лапласа основывался 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, отдельную от детерминистской микроскопической физики. [6] Однако эта теория встретила критику в отношении ее способности делать предсказания о физике; ряд физиков и математиков, в том числе Иван Веленик с математического факультета Женевского университета , отметили, что термодинамика максимальной энтропии по существу 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 предусматривает неопределенность . Интерпретация квантовой механики все еще открыта для дискуссий, и многие придерживаются противоположных взглядов (например, интерпретация многих миров и интерпретация де Бройля-Бома ). [8]
Теорию хаоса иногда называют противоречием демону Лапласа: она описывает, как детерминированная система, тем не менее, может демонстрировать поведение, которое невозможно предсказать: как и в случае с эффектом бабочки , незначительные различия между начальными условиями двух систем могут привести к серьезным различиям. [9] Хотя это объясняет непредсказуемость в практических случаях, применение этого подхода к случаю Лапласа сомнительно: согласно строгой гипотезе демона все детали известны — с бесконечной точностью — и, следовательно, вариации в стартовых условиях не существуют. Другими словами: теория хаоса применима, когда знание системы несовершенно, тогда как демон Лапласа предполагает совершенное знание системы, поэтому изменчивость, приводящая к хаосу в теории хаоса, и неизменность в познании мира, демон Лапласа, несопоставимы. .
В 2008 году Дэвид Вулперт использовал диагонализацию Кантора , чтобы бросить вызов идее демона Лапласа. Он сделал это, предположив, что демон — это вычислительное устройство, и показал, что никакие два таких устройства не могут полностью предсказывать друг друга. [10] [11] Статья Вольперта была процитирована в 2014 году в статье Йозефа Рукавицки, где представлен значительно более простой аргумент, опровергающий демона Лапласа с использованием машин Тьюринга в предположении свободы воли. [12]
В полном контексте демон Лапласа, как он понимается, бесконечно удален от человеческого разума и, следовательно, никогда не сможет помочь человечеству в предсказаниях:
Все эти усилия в поисках истины имеют тенденцию постоянно возвращать [человеческий разум] к огромному разуму, о котором мы только что упомянули, но от которого он всегда будет оставаться бесконечно далеким.
- Пьер Симон Лаплас, Философский очерк вероятностей [3]
Несмотря на это, английский физик Стивен Хокинг в своей книге « Краткая история времени » заявил, что «Лаплас предположил, что должен существовать набор научных законов, которые позволили бы нам предсказать все, что произойдет во Вселенной». [13]
Точно так же в книге Джеймса Глейка « Хаос» автор, кажется, объединяет демона Лапласа с «мечтой» о детерминистской предсказуемости человека и даже заявляет, что «Лаплас кажется почти шутом в своем оптимизме, но большая часть современной науки преследовала его мечту». (стр. 14).
Недавно было предложено ограничение 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 по планковской длине , и было показано, что эта цифра составляет около 10 120 бит. [14] Соответственно, все, что требует большего количества данных, не может быть вычислено за то количество времени, которое прошло до сих пор во Вселенной. Простое логическое доказательство невозможности идеи Лапласа было предложено в 2012 году Егором Резниковым, который утверждает, что демон не может предсказать собственную будущую память. [15]