想象一下，您正在购买一辆新车，销售员说：“您知道吗，这辆车不仅仅能在路上行驶。”
“哦？”您回答。
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“是的，您还可以用它来做其他事情。例如，它可以折叠起来变成一辆相当不错的自行车。展开后，它就变成了一流的飞机。哦，当它浸入水中时，它还可以作为潜艇。而且它也是一艘宇宙飞船！”
您会认为销售员在开玩笑。但是，我们认为计算机的这种灵活性是理所当然的。我们可以使用同一台机器，通过飞行模拟器飞过自由女神像，使用电子表格进行财务预测，在 Facebook 上与朋友聊天，以及做许多其他事情。这几乎就像一台机器可以作为汽车、自行车和宇宙飞船一样令人惊讶。
计算机的两个特性使这种灵活性成为可能。首先，计算机是可编程的。也就是说，通过输入适当的指令序列，我们可以改变计算机的行为。其次，计算机是通用的。也就是说，有了正确的程序，我们可以让计算机执行任何算法过程，只要机器有足够的内存和时间。
可编程性和通用性的思想已经如此深入我们的文化，以至于即使许多孩子也很熟悉它们。但从历史上看，它们是了不起的突破。它们在艾伦·图灵 1937 年发表的一篇论文中得到凝练，他认为任何算法过程都可以由一台通用的、可编程的计算机计算出来。图灵描述的机器——通常被称为图灵机——是现代计算机的鼻祖。
为了论证他的观点，图灵需要证明他的通用计算机可以执行任何可以想象的算法过程。这并不容易。在图灵时代之前，算法的概念是非正式的，而不是具有严格的数学定义的东西。当然，数学家们以前已经发现了许多用于加法、乘法和确定数字是否为素数等任务的特定算法。图灵很容易证明那些已知的算法可以在他的通用计算机上执行。但这还不够。图灵还需要令人信服地论证，他的通用计算机可以计算任何算法，包括未来可能发现的所有算法。为了做到这一点，图灵发展了几条思路，每条思路都为他的机器可以计算任何算法过程的想法提供了非正式的理由。然而，他最终对他的论证的非正式性质感到不安，他说“所有可以给出的论证，从根本上来说，必然是对直觉的诉诸，因此在数学上是相当不令人满意的。”
1985 年，物理学家 大卫·多伊奇 在理解算法的本质方面迈出了另一个重要步骤。他观察到算法过程必然是由物理系统执行的。这些过程可以以多种不同的方式发生：一个人使用算盘来乘两个数字显然与硅芯片运行飞行模拟器截然不同。但两者都是物理系统的例子，因此它们都受相同的基本物理定律支配。考虑到这一点，多伊奇陈述了以下原则。我将使用他的话——尽管语言是专业的，但实际上很容易理解，而且看到原始形式也很有趣
每个有限可实现的物理系统都可以由以有限手段运行的通用模型计算机完美模拟。
换句话说，取任何物理过程，您都应该能够使用通用计算机对其进行模拟。这是一个令人惊叹的、盗梦空间般的想法，即一台机器可以有效地将物理定律范围内所有可以想象的事物都包含在自身之中。想要模拟超新星？还是黑洞的形成？甚至是宇宙大爆炸？多伊奇的原则告诉您，通用计算机可以模拟所有这些。从某种意义上说，如果您完全理解这台机器，您就会理解所有的物理过程。
多伊奇的原则远远超出了图灵早期的非正式论证。如果该原则是正确的，那么它会自动得出通用计算机可以模拟任何算法过程的结论，因为算法过程最终是物理过程。您可以使用通用计算机来模拟算盘上的加法，在硅芯片上运行飞行模拟器，或者做您选择的任何其他事情。
此外，与图灵的非正式论证不同，多伊奇的原则是可以证明的。特别是，我们可以想象使用物理定律来推断该原则的真假。这将使图灵的非正式论证扎根于物理定律，并为我们关于算法是什么的想法提供更坚实的基础。
在尝试这样做时，修改多伊奇的原则在两个方面有所帮助。首先，我们必须扩展我们对计算机的概念，使其包括量子计算机。这并没有改变原则上可以模拟的物理过程的类别，但它确实使我们能够快速有效地模拟量子过程。这一点很重要，因为量子过程在传统计算机上模拟通常非常缓慢，以至于它们可能就像不可能一样。其次，我们必须放宽多伊奇的原则，以便我们允许模拟达到任意近似程度，而不是要求完美模拟。这是一种较弱的系统模拟含义，但这可能是该原则成立的必要条件。
经过这两个修改，多伊奇的原则变为
每个有限可实现的物理系统都可以通过以有限手段运行的通用模型（量子）计算机高效且以任意近似程度进行模拟。
没有人设法从物理定律中推导出这种形式的多伊奇原则。部分原因是我们还不知道物理定律是什么！特别是，我们还不知道如何将量子力学与广义相对论相结合。因此，我们不清楚我们是否可以使用计算机来模拟可能涉及量子引力的过程，例如黑洞的蒸发。
但是，即使没有量子引力理论，我们也可以询问计算机是否可以有效地模拟现代物理学的最佳理论——粒子物理学的标准模型和广义相对论。
研究人员正在积极努力回答这些问题。在过去的几年里，物理学家 约翰·普雷斯基尔 和他的合作者已经展示了如何使用量子计算机来有效地模拟几个简单的量子场论。您可以将这些理论视为粒子物理学标准模型的原型。它们不包含标准模型的全部复杂性，但它们具有许多基本思想。虽然普雷斯基尔和他的合作者尚未成功解释如何模拟完整的标准模型，但他们已经克服了许多技术障碍。在未来几年内，很可能会找到多伊奇原则在标准模型中的证明。
广义相对论的情况更加不明朗。广义相对论允许奇异的奇点以尚未完全理解的方式撕裂时空。虽然数值相对论家已经开发了许多模拟特定物理情况的技术，但据我所知，尚未对如何有效地模拟广义相对论进行完整、系统的分析。这是一个有趣的开放性问题。
在他的著作 《人造科学》 中，博学家赫伯特·西蒙区分了自然科学（例如物理学和生物学，我们研究自然发生的系统）和人造科学（例如计算机科学和经济学，我们研究人类创造的系统）。
乍一看，人造科学似乎应该是自然科学的特例。但正如多伊奇的原则所表明的那样，人造系统（如计算机）的特性可能与自然发生的物理系统的特性一样丰富。我们可以想象使用计算机不仅模拟我们自己的物理定律，甚至可能模拟替代的物理现实。用计算机科学家 艾伦·凯 的话来说：“在自然科学中，自然界给了我们一个世界，我们只是去发现它的规律。在计算机中，我们可以将规律塞进去并创造一个世界。”多伊奇的原则提供了一座桥梁，将自然科学和人造科学联系起来。我们即将证明这一基本科学原则，这令人兴奋。
其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。