Мозг Больцмана - Boltzmann brain

Людвиг Больцман, в честь которого названы мозги Больцмана

Больцман мозг аргумент предполагает , что более вероятно , для одного мозга спонтанно и формы кратко в пустоте ( в комплекте с ложной памятью, просуществовав в нашей вселенной) , чем для Вселенной, пришла примерно как результат случайные колебания во Вселенной, находящейся в тепловом равновесии. Впервые это было предложено как reductio ad absurdum ответ на раннее объяснение Людвига Больцмана низкоэнтропийного состояния нашей Вселенной.

В этом физическом мысленном эксперименте мозг Больцмана - это полностью сформированный мозг, наполненный воспоминаниями о полноценной человеческой жизни в нашей Вселенной, которая возникает из-за чрезвычайно редких случайных колебаний из состояния термодинамического равновесия . Теоретически, в течение чрезвычайно большого, но не бесконечного промежутка времени, по чистой случайности, атомы в пустоте могут спонтанно объединиться таким образом, чтобы собрать функционирующий человеческий мозг. Как и любой мозг в таких обстоятельствах (враждебный космический вакуум без кровоснабжения или тела), он почти сразу перестанет функционировать и начнет разрушаться.

Идея названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана (1844–1906), который в 1896 году опубликовал теорию, в которой пытался объяснить тот факт, что люди оказываются во вселенной, которая не так хаотична, как казалось зарождающейся области термодинамики. предсказывать. Он предложил несколько объяснений, одно из которых заключалось в том, что Вселенная, даже если она полностью случайна (или находится в состоянии теплового равновесия ), спонтанно флуктуирует в более упорядоченное (или с низкой энтропией ) состояние.

Мозг Больцмана приобрел новую актуальность примерно в 2002 году, когда некоторые космологи начали беспокоиться о том, что во многих теориях о Вселенной человеческий мозг в нынешней Вселенной представляется гораздо менее вероятным, чем мозг Больцмана в будущем; это приводит к выводу, что, по статистике, человеческий мозг скорее всего является мозгом Больцмана. Такой аргумент reductio ad absurdum иногда используется, чтобы выступить против определенных теорий Вселенной. Применительно к более поздним теориям о мультивселенной аргументы мозга Больцмана являются частью нерешенной космологической проблемы меры . Физика, будучи экспериментальной наукой , использует мысленный эксперимент Больцмана с мозгом как инструмент для оценки конкурирующих научных теорий.

Вселенная Больцмана

В 1896 году математик Эрнст Цермело выдвинул теорию, согласно которой второй закон термодинамики был абсолютным, а не статистическим. Цермело поддержал свою теорию, указав, что теорема Пуанкаре показывает, что статистическая энтропия в замкнутой системе в конечном итоге должна быть периодической функцией; поэтому Второй закон, который всегда увеличивает энтропию, вряд ли будет статистическим. В противовес аргументу Цермело австрийский физик Людвиг Больцман выдвинул две теории. Первая теория, которая теперь считается правильной, заключается в том, что Вселенная началась по неизвестной причине в состоянии с низкой энтропией. Вторая и альтернативная теория, опубликованная в 1896 году, но приписываемая в 1895 году ассистенту Больцмана Игнацу Шютцу , представляет собой сценарий «вселенной Больцмана». В этом сценарии Вселенная проводит большую часть вечности в невыразительном состоянии тепловой смерти ; однако, в течение достаточного количества эонов, в конечном итоге произойдет очень редкая тепловая флуктуация, когда атомы отскакивают друг от друга точно таким образом, чтобы сформировать субструктуру, эквивалентную всей нашей наблюдаемой Вселенной. Больцманн утверждает, что, хотя большая часть Вселенной лишена каких-либо черт, люди не видят эти области, потому что они лишены разумной жизни; Для Больцмана ничем не примечательно то, что человечество рассматривает только внутреннюю часть своей Больцмановской вселенной, поскольку это единственное место, где живет разумная жизнь. (Возможно, это первое использование антропного принципа в современной науке ).

В 1931 году астроном Артур Эддингтон указал, что, поскольку большая флуктуация экспоненциально менее вероятна, чем небольшая флуктуация, наблюдатели во вселенных Больцмана будут значительно превосходить числом наблюдателей с меньшими флуктуациями. Физик Ричард Фейнман опубликовал аналогичный контраргумент в своих широко читаемых лекциях Фейнмана по физике 1964 года . К 2004 году физики довели наблюдение Эддингтона до логического завершения: самые многочисленные наблюдатели в вечности тепловых флуктуаций будут минимальными «мозгами Больцмана», появляющимися в безликой вселенной.

Самопроизвольное образование

В конечном состоянии Вселенной эргодической «тепловой смерти», при наличии достаточного количества времени каждая возможная структура (включая каждый возможный мозг) формируется посредством случайных колебаний. Временной масштаб для этого связан со временем повторения Пуанкаре. Мыслительные эксперименты в стиле Больцмана сосредоточены на таких структурах, как человеческий мозг, которые предположительно являются самосознательными наблюдателями. Учитывая любые произвольные критерии того, что составляет мозг Больцмана (или планету, или вселенную), более мелкие структуры, которые минимально и едва соответствуют критериям, значительно и экспоненциально более распространены, чем более крупные структуры; Грубая аналогия заключается в том, что вероятность того, что настоящее английское слово обнаружится, когда кто-то встряхнет коробку с буквами Scrabble , больше, чем вероятность того, что будет сформировано целое английское предложение или абзац. Средняя шкала времени, необходимая для формирования мозга Больцмана, намного превышает нынешний возраст Вселенной. В современной физике мозг Больцмана может быть сформирован либо квантовыми флуктуациями , либо тепловыми флуктуациями, обычно включающими зародышеобразование .

Через квантовую флуктуацию

Согласно одному расчету, мозг Больцмана мог бы появиться как квантовое колебание в вакууме через промежуток времени в несколько лет. Эта флуктуация может происходить даже в истинном вакууме Минковского (плоский вакуум пространства-времени, лишенный энергии вакуума ). Квантовая механика сильно отдает предпочтение меньшим флуктуациям, которые «заимствуют» наименьшее количество энергии у вакуума. Как правило, квантовый мозг Больцмана внезапно появлялся из вакуума (вместе с эквивалентным количеством виртуального антивещества), оставался ровно столько, чтобы иметь единственную связную мысль или наблюдение, а затем исчезал в вакууме так же внезапно, как и появлялся. Такой мозг полностью самодостаточен и никогда не может излучать энергию в бесконечность.

Через зарождение

Текущие данные свидетельствуют о том, что вакуум, пронизывающий наблюдаемую Вселенную, не является пространством Минковского, а скорее пространством де Ситтера с положительной космологической постоянной . В вакууме де Ситтера (но не в вакууме Минковского) мозг Больцмана может формироваться путем зарождения невиртуальных частиц, постепенно собранных случайно из излучения Хокинга, испускаемого из ограниченного космологического горизонта пространства де Ситтера . По одной оценке, среднее время, необходимое для зарождения, составляет около лет. Типичный ядерный мозг Больцмана после того, как закончит свою деятельность, остынет до абсолютного нуля и в конечном итоге полностью распадется, как любой изолированный объект в космическом вакууме. В отличие от случая квантовой флуктуации, мозг Больцмана будет излучать энергию в бесконечность. При зародышеобразовании наиболее распространенные флуктуации в целом максимально близки к тепловому равновесию, учитывая любые произвольные критерии, предусмотренные для обозначения флуктуации как «мозг Больцмана».

Теоретически мозг Больцмана также может сформироваться, хотя и с крошечной вероятностью, в любое время в ранней Вселенной, где преобладала материя.

Современные реакции на проблему мозга Больцмана

Космологи сходятся во мнении, что на некоторые еще не обнаруженные ошибки намекает удивительный расчет, согласно которому 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 он мозг Больцмана, приводит к «когнитивной нестабильности». Поскольку, как он утверждает, для формирования мозга потребовалось бы больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, и все же он считает, что наблюдает, что он существует в более молодой Вселенной, это показывает, что воспоминания и процессы рассуждений были бы ненадежными, если бы это было действительно мозг Больцмана. Сет Ллойд заявил, что «они не проходят тест Монти Пайтон : хватит! Это слишком глупо!» New Scientist журналист резюмирует , что «отправную точку для нашего понимания Вселенной и ее поведение является то , что люди, а не бестелесный мозг, являются типичными наблюдателями.»

Некоторые утверждают, что мозг, образованный посредством квантовой флуктуации, и, возможно, даже мозг, образованный посредством нуклеации в вакууме де Ситтера , не считаются наблюдателями. Квантовые флуктуации легче исключить, чем зародыши мозга, поскольку квантовые флуктуации легче нацелить на простые критерии (например, отсутствие взаимодействия с окружающей средой на бесконечности).

Некоторые космологи считают , что лучшее понимание степеней свободы в квантовом вакууме в голографической теории струн может решить проблему мозга Больцмана.

Брайан Грин заявляет: «Я уверен, что я не мозг Больцмана. Однако мы хотим, чтобы наши теории сходным образом соглашались с тем, что мы не мозг Больцмана, но пока это оказалось для них на удивление трудным».

В сценариях с одной вселенной

В единой Вселенной де Ситтера с космологической постоянной и начиная с любого конечного пространственного среза количество «нормальных» наблюдателей конечно и ограничено тепловой смертью Вселенной. Если Вселенная существует вечно, количество зародившихся мозгов Больцмана в большинстве моделей бесконечно; такие космологи, как Алан Гут, опасаются, что это может показаться «бесконечно маловероятным для нас, чтобы быть нормальным мозгом». Одно предостережение заключается в том, что если Вселенная представляет собой ложный вакуум, который локально распадается на пространство Минковского или связанное с Большим хрустом пространство анти-де Ситтера менее чем за 20 миллиардов лет, то можно избежать бесконечного зарождения Больцмана. (Если средняя скорость локального распада ложного вакуума превышает 20 миллиардов лет, зарождение мозга Больцмана все еще бесконечно, поскольку Вселенная увеличивается в размерах быстрее, чем локальный вакуумный коллапс разрушает части Вселенной в будущих световых конусах коллапса ). Предлагаемые гипотетические механизмы разрушения Вселенной в течение этого периода времени варьируются от сверхтяжелого гравитино до более тяжелого, чем наблюдаемое, топ-кварка, вызывающего « смерть от Хиггса ».

Если космологической постоянной не существует, и если наблюдаемая в настоящее время энергия вакуума исходит от квинтэссенции , которая в конечном итоге полностью рассеется, то можно также избежать бесконечного зарождения по Больцману.

В вечной инфляции

Дополнительная информация: Проблема измерения (космология)

Один класс решений проблемы мозга Больцмана использует различные подходы к проблеме меры в космологии: в теориях бесконечной мультивселенной отношение нормальных наблюдателей к мозгу Больцмана зависит от того, насколько бесконечны ограничения. Могут быть выбраны меры, позволяющие избежать значительной доли мозга Больцмана. В отличие от случая единственной вселенной, одна проблема в поиске глобального решения в вечной инфляции состоит в том, что все возможные струнные ландшафты должны быть суммированы; в некоторых случаях даже небольшая часть вселенных, пронизанных мозгом Больцмана, приводит к тому, что в мультивселенной в целом доминирует мозг Больцмана.

Проблема измерения в космологии также связана с соотношением нормальных наблюдателей и аномально ранних наблюдателей. В таких измерениях, как измерение собственного времени, которые страдают от крайней проблемы «молодости», типичный наблюдатель - это «младенец Больцмана», образованный редкими колебаниями в чрезвычайно горячей, ранней Вселенной.

Как определить, являетесь ли вы наблюдателем Больцмана

В сценариях мозга Больцмана отношение мозга Больцмана к «нормальным наблюдателям» астрономически велико. Практически любая релевантная подгруппа мозга Больцмана, такая как «мозги, встроенные в функционирующие тела», «наблюдатели, которые считают, что они воспринимают 3-килобайтное микроволновое фоновое излучение через телескопы», «наблюдатели, у которых есть память о связном опыте» или «наблюдатели, у которых есть та же серия опытов, что и я ", также значительно превосходящая числом" нормальных наблюдателей ". Следовательно, согласно большинству моделей сознания неясно, можно ли с уверенностью заключить, что вы не такой «наблюдатель Больцмана», в случае, когда мозг Больцмана доминирует во Вселенной. Даже в моделях сознания « контент-экстернализм » количество наблюдателей Больцмана, живущих в постоянных колебаниях размеров Земли в течение последних нескольких лет, превышает численность «нормальных наблюдателей», порожденных до «тепловой смерти» Вселенной.

Как указывалось ранее, у большинства мозгов Больцмана есть «ненормальные» переживания; Фейнман указал, что если человек знает, что он типичный мозг Больцмана, нельзя ожидать продолжения «нормальных» наблюдений в будущем. Другими словами, во Вселенной, где доминирует Больцман, большинство мозгов Больцмана имеют «ненормальные» переживания, но большинство наблюдателей с только «нормальным» переживанием - это мозги Больцмана из-за огромной численности населения мозгов Больцмана в такой Вселенной.

Смотрите также

Примечания

дальнейшее чтение

внешние ссылки