Больцмановский мозг

Людвиг Больцман , в честь которого названы мозги Больцмана

Больцмана с мозгом Мысленный эксперимент предполагает, что более вероятно, что в космосе спонтанно образуется один мозг , полный памяти о существовании в нашей Вселенной , а не то, что вся Вселенная возникла так, как думают космологи, на самом деле. . Физики используют мысленный эксперимент Больцмана с мозгом как довод до абсурда для оценки конкурирующих научных теорий.

В отличие от мысленных экспериментов «мозг в чане», посвященных восприятию и мышлению, мозг Больцмана используется в космологии для проверки наших предположений о термодинамике и развитии Вселенной. В течение достаточно длительного времени случайные колебания могли бы привести к тому, что частицы спонтанно сформировали буквально любую структуру любой степени сложности, включая функционирующий человеческий мозг. Первоначально сценарий включал только один мозг с ложными воспоминаниями, но физик Шон М. Кэрролл отметил, что в колеблющейся Вселенной сценарий работает так же хорошо с целыми телами и даже целыми галактиками.

Идея названа в честь физика Людвига Больцмана (1844–1906), который в 1896 году опубликовал теорию, пытавшуюся объяснить тот факт, что Вселенная не так хаотична, как перспективная область термодинамики предсказывала . Он предложил несколько объяснений, одно из них заключалось в том, что Вселенная, даже после того, как она достигла наиболее вероятного растянутого и безликого состояния теплового равновесия , будет спонтанно переходить в более упорядоченное (или с низкой энтропией ) состояние, такое как Вселенная. в котором мы находимся. Мозг Больцмана был впервые предложен как ответ до абсурда на объяснение Больцмана низкоэнтропийного состояния нашей Вселенной.

Мозг Больцмана приобрел новую актуальность примерно в 2002 году, когда некоторые космологи начали беспокоиться о том, что во многих теориях Вселенной человеческий мозг с гораздо большей вероятностью возникает в результате случайных колебаний; это приводит к выводу, что статистически люди, скорее всего, ошибаются в своих воспоминаниях о прошлом и на самом деле являются мозгом Больцмана. Применительно к более поздним теориям мультивселенной аргументы Больцмана о мозге являются частью нерешенной проблемы меры в космологии .

«Вселенная Больцмана»

В 1896 году математик Эрнст Цермело выдвинул теорию, согласно которой второй закон термодинамики является абсолютным, а не статистическим. Цермело подкрепил свою теорию, указав, что теорема о возврате Пуанкаре показывает, что статистическая энтропия в замкнутой системе в конечном итоге должна быть периодической функцией ; следовательно, Второй закон, который всегда наблюдается для увеличения энтропии, вряд ли будет статистическим. Чтобы опровергнуть аргумент Цермело, Больцман выдвинул две теории. Первая теория, которая сейчас считается правильной, заключается в том, что Вселенная по какой-то неизвестной причине возникла в состоянии с низкой энтропией. Вторая альтернативная теория, опубликованная в 1896 году, но приписываемая в 1895 году помощнику Больцмана Игнацу Шютцу , представляет собой сценарий «Вселенной Больцмана». В этом сценарии Вселенная проводит большую часть вечности в безликом состоянии тепловой смерти ; однако через достаточное количество эонов в конечном итоге произойдет очень редкая тепловая флуктуация, когда атомы отскакивают друг от друга точно таким образом, что образуют субструктуру, эквивалентную всей нашей наблюдаемой Вселенной. Больцманн утверждает, что, хотя большая часть Вселенной лишена каких-либо особенностей, люди не видят эти регионы, потому что они лишены разумной жизни; для Больцмана нет ничего примечательного в том, что человечество рассматривает исключительно внутреннюю часть своей больцмановской вселенной, поскольку это единственное место, где живет разумная жизнь. (Возможно, это первое в современной науке использование антропный принцип ).

В 1931 году астроном Артур Эддингтон отметил, что, поскольку большое колебание экспоненциально менее вероятно, чем небольшое, наблюдатели во вселенных Больцмана будут значительно превосходить по численности наблюдателей в меньших колебаниях. Физик Ричард Фейнман опубликовал аналогичный контраргумент в своих широко читаемых «Фейнмановских лекциях по физике» . К 2004 году физики довели наблюдение Эддингтона до логического завершения: самые многочисленные наблюдатели в вечности тепловых колебаний будут минимальными «больцмановскими мозгами», возникающими в безликой Вселенной.

Спонтанное образование

«тепловой смерти» Вселенной В возможном состоянии эргодической при наличии достаточного количества времени каждая возможная структура (включая все возможные мозги) предположительно будет сформирована посредством случайных колебаний, временная шкала которых связана со временем повторения Пуанкаре. Мозг Больцмана (или тело, или мир) не должен внезапно возникать, утверждают Энтони Агирре , Шон М. Кэрролл и Мэтью К. Джонсон. Скорее, он сформировался бы в виде последовательности меньших колебаний, которые выглядели бы так, будто путь распада мозга идет в обратном направлении. Мысленные эксперименты в стиле Больцмана обычно фокусируются на таких структурах, как человеческий мозг, которые предположительно являются самосознающими наблюдателями. Однако более мелкие структуры, которые минимально соответствуют критериям, значительно и экспоненциально более распространены, чем более крупные структуры; Грубая аналогия заключается в том, что вероятность появления одного настоящего английского слова, когда кто-то встряхивает коробку с буквами Scrabble , выше, чем вероятность того, что сформируется целое английское предложение или абзац. Средний срок, необходимый для формирования больцмановского мозга, намного превышает нынешний возраст Вселенной. В современной физике мозг Больцмана может быть сформирован либо за счет квантовой флуктуации , либо за счет тепловой флуктуации, обычно связанной с нуклеацией .

Через квантовую флуктуацию

Согласно одному из расчетов, мозг Больцмана появится как квантовая флуктуация в вакууме через интервал времени $10^{10^{50}}$ годы. Это колебание может произойти даже в истинном вакууме Минковского (плоском пространственно-временном вакууме, лишенном вакуумной энергии ). Квантовая механика отдает предпочтение меньшим флуктуациям, которые «заимствуют» наименьшее количество энергии у вакуума. Обычно квантовый больцмановский мозг внезапно появляется из вакуума (вместе с эквивалентным количеством виртуальной антиматерии), остается там лишь на время, достаточное для того, чтобы сформировать единственную связную мысль или наблюдение, а затем исчезает в вакууме так же внезапно, как и появился. Такой мозг полностью автономен и никогда не сможет излучать энергию в бесконечность.

Через зародышеобразование

Текущие данные свидетельствуют о том, что вакуум, пронизывающий наблюдаемую Вселенную, представляет собой не пространство Минковского , а скорее пространство де Ситтера с положительной космологической постоянной . В вакууме де Ситтера (но не в вакууме Минковского) мозг Больцмана может формироваться посредством зарождения невиртуальных частиц, постепенно случайно собранных из излучения Хокинга, пространства де Ситтера испускаемого ограниченным космологическим горизонтом . Одна оценка среднего времени, необходимого для возникновения нуклеации $10^{10^{69}}$ годы. Типичный больцмановский мозг с ядром остывает до абсолютного нуля и в конечном итоге полностью распадается, как это произошло бы с любым изолированным объектом в космическом вакууме. В отличие от случая квантовых флуктуаций, мозг Больцмана будет излучать энергию в бесконечность. При нуклеации наиболее распространенные колебания в целом максимально близки к тепловому равновесию, учитывая любые произвольные критерии, позволяющие назвать колебания «больцмановским мозгом».

Теоретически мозг Больцмана также может образоваться, хотя и с небольшой вероятностью, в любое время в ранней Вселенной, где доминировала материя.

Современные реакции на проблему мозга Больцмана

Космологи сходятся во мнении, что на некую, еще не обнаруженную ошибку намекают удивительные расчеты, согласно которым мозг Больцмана должен значительно превосходить по численности мозг нормального человека. Шон Кэрролл заявляет: «Мы не утверждаем, что мозги Больцмана существуют — мы пытаемся их избегать». Кэрролл заявил, что гипотеза о том, что это мозг Больцмана, приводит к «когнитивной нестабильности». Потому что, утверждает он, для формирования мозга потребуется больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, и тем не менее он думает, что наблюдает, что он существует в более молодой Вселенной, и, таким образом, это показывает, что воспоминания и процессы рассуждения были бы ненадежными, если бы это действительно был мозг Больцмана. Сет Ллойд заявил: «Они проваливают тест Монти Пайтона : прекратите! Это слишком глупо!» Журналист New Scientist резюмирует: «Отправной точкой для нашего понимания Вселенной и ее поведения является то, что люди, а не бестелесный мозг, являются типичными наблюдателями».

Некоторые утверждают, что мозг, возникший в результате квантовой флуктуации, и, возможно, даже мозг, возникший в результате зародышеобразования в вакууме Де Ситтера , не считается наблюдателем. Квантовые флуктуации легче исключить, чем ядерный мозг, поскольку квантовые флуктуации легче выявить с помощью простых критериев (таких как отсутствие их взаимодействия с окружающей средой на бесконечности).

Кэрролл считает, что лучшее понимание проблемы измерения в квантовой механике показало бы, что некоторые состояния вакуума не имеют динамической эволюции и не могут поддерживать ни ядерный мозг, ни какой-либо другой тип наблюдателя. Некоторые космологи полагают, что лучшее понимание степеней свободы в квантовом вакууме голографической теории струн может решить проблему мозга Больцмана.

Американский физик-теоретик и математик Брайан Грин заявляет: «Я уверен, что я не являюсь больцмановским мозгом. Однако мы хотим, чтобы наши теории аналогичным образом соглашались с тем, что мы не являемся больцмановским мозгом, но до сих пор им оказалось на удивление трудно это сделать». ".

В сценариях с одной вселенной

В единой вселенной де Ситтера с космологической постоянной и начиная с любого конечного пространственного среза число «нормальных» наблюдателей конечно и ограничено тепловой смертью Вселенной. Если Вселенная существует вечно, число зародившихся больцмановских мозгов в большинстве моделей будет бесконечным; космологи, такие как Алан Гут, опасаются, что из-за этого «бесконечно маловероятно, что у нас будет нормальный мозг». Одно предостережение заключается в том, что если Вселенная представляет собой ложный вакуум или Большого сжатия Минковского , который локально распадается на анти-деситтеровское пространство менее чем за 20 миллиардов лет, то бесконечного больцмановского зарождения можно избежать. (Если средняя скорость распада локального ложного вакуума превышает 20 миллиардов лет, зарождение мозга Больцмана по-прежнему бесконечно, поскольку Вселенная увеличивается в размерах быстрее, чем локальный коллапс вакуума уничтожает части Вселенной внутри будущих световых конусов коллапса ). Предлагаемые гипотетические механизмы разрушения Вселенной в течение этого периода времени варьируются от сверхтяжелых гравитино до более тяжелого, чем наблюдалось, топ-кварка, вызывающего « смерть от Хиггса ».

Если космологической постоянной не существует и если наблюдаемая в настоящее время вакуумная энергия исходит из квинтэссенции , которая в конечном итоге полностью рассеется, то бесконечного больцмановского зарождения также можно избежать.

В вечной инфляции

Дополнительная информация: Проблема измерения (космология).

Один класс решений проблемы мозга Больцмана использует разные подходы к проблеме меры в космологии: в теориях бесконечной мультивселенной соотношение нормальных наблюдателей и мозга Больцмана зависит от того, как принимаются бесконечные пределы. Можно было бы принять меры, чтобы избежать значительных долей Больцмановского мозга. В отличие от случая с единственной вселенной, одна из проблем в поиске глобального решения проблемы вечной инфляции состоит в том, что необходимо суммировать все возможные струнные ландшафты; в некоторых отношениях даже небольшая часть вселенных, пронизанная больцмановским мозгом, приводит к тому, что во всей мультивселенной доминируют больцмановские мозги.

Проблема измерения в космологии также связана с соотношением числа обычных наблюдателей и аномально ранних наблюдателей. В таких мерах, как мера собственного времени , которые страдают от крайней проблемы «молодости», типичный наблюдатель — это «ребёнок Больцмана», образовавшийся в результате редких колебаний в чрезвычайно горячей ранней Вселенной.

Определение того, являетесь ли вы наблюдателем Больцмана

В сценариях мозга Больцмана соотношение мозга Больцмана и «нормальных наблюдателей» астрономически велико. Почти любая соответствующая часть мозга Больцмана, такая как «мозг, встроенный в функционирующие тела», «наблюдатели, которые считают, что они воспринимают микроволновое фоновое излучение 3 К через телескопы», «наблюдатели, которые помнят связные переживания» или «наблюдатели, которые ту же серию переживаний, что и я», также значительно превосходит численность «обычных наблюдателей». Следовательно, в соответствии с большинством моделей сознания неясно, можно ли с уверенностью заключить, что вы не являетесь таким «больцмановским наблюдателем» в случае, когда больцмановский мозг доминирует во вселенной. Даже в рамках моделей сознания « контентного экстернализма » наблюдатели Больцмана, живущие в постоянных колебаниях размером с Землю в течение последних нескольких лет, превосходят числом «нормальных наблюдателей», порожденных до «тепловой смерти» Вселенной.

Как говорилось ранее, у большинства больцмановских мозгов наблюдаются «ненормальные» переживания; Фейнман отметил, что если человек осознает себя типичным больцмановским мозгом, он не ожидает продолжения «нормальных» наблюдений в будущем. Другими словами, во вселенной, где доминирует Больцман, большинство больцмановских мозгов имеют «ненормальные» переживания, но большинство наблюдателей с только «нормальными» переживаниями являются больцмановскими мозгами из-за подавляющей огромной популяции больцмановских мозгов в такой вселенной.

См. также

• Антропный принцип - Гипотеза о разумной жизни и Вселенной.
• Граница Бекенштейна - верхний предел энтропии в физике
• Китайский мозг – Философский эксперимент
• Аргумент сновидения - Постулирование об акте сновидения.
• Эволюция биологической сложности . Тенденция к увеличению максимальной сложности со временем, хотя и без какого-либо общего направления.
• Тепловая смерть Вселенной – Возможная судьба Вселенной
• Парадокс тепловой смерти - Парадокс, связанный с судьбой Вселенной.
• Теорема о бесконечных обезьянах – противоречивый результат по вероятности
• Матрешка-мозг – огромный компьютер, питаемый энергией звезды.
• Наблюдатель (физика)
• Гипотеза Омфала - Гипотеза креационистов
• Теорема Пуанкаре о возврате . Некоторые динамические системы в конечном итоге вернутся к своему исходному состоянию (или приблизится к нему).
• Гипотеза моделирования - гипотеза о том, что реальность может быть компьютерной симуляцией.
• Болотный человек - философский мысленный эксперимент

Дальнейшее чтение

• «Тревожные последствия космологической константы», Лиза Дайсон, Мэтью Клебан и Леонард Сасскинд , Журнал физики высоких энергий 0210 (2002) 011 ( на arXiv )
• «Вероятно ли, что наша Вселенная распадется в течение 20 миллиардов лет?», Дон Н. Пейдж ( на arXiv )
• «Погружения в ландшафт, мозг Больцмана и проблема космологической постоянной», Андрей Линде , Журнал космологии и физики астрочастиц , 0701 (2007) 022 ( на arXiv )
• «Призраки в космосе», Мейсон Инман, New Scientist , том 195, выпуск 2617, 18 августа 2007 г., стр. 26–29 .
• «Теория большого мозга: космологи потеряли свою?», Деннис Овербай, 15 января 2008 г. , The New York Times

Внешние ссылки

• Человеческий мозг и Вселенная – похожие формы? , ScienceAlert (2020)
• «Вы больцмановский мозг?» , PBS Космическое время (2017)
• Больцмановский мозг, мозг-матрешка, гипотеза моделирования и концепция Бога