Мозг Больцмана - Boltzmann brain

Людвиг Больцман, в честь которого названы мозги Больцмана

В Мозг Больцмана Этот аргумент предполагает, что более вероятно, что отдельный мозг спонтанно и на короткое время сформировался в пустоте (с ложным воспоминанием о существовании в нашей Вселенной), чем возникновение Вселенной в том виде, в каком она на самом деле думает современная наука. сделал. Впервые он был предложен как сокращение до абсурда ответ на Людвиг Больцманн раннее объяснение низкоэнтропийного состояния нашей Вселенной.[1]

В этом физика мысленный эксперимент, мозг Больцмана - это полностью сформированный мозг, наполненный воспоминаниями о полноценной человеческой жизни в нашей Вселенной, возникающий из-за чрезвычайно редких случайных колебаний выхода из состояния термодинамическое равновесие. Теоретически в течение чрезвычайно большого, но не бесконечного промежутка времени по чистой случайности атомы в пустоте могут спонтанно объединиться таким образом, чтобы сформировать функционирующий человеческий мозг. Как и любой мозг в таких обстоятельствах, он почти сразу перестанет функционировать и начнет ухудшаться.[2]

Идея названа в честь австрийского физик Людвиг Больцманн (1844–1906), который в 1896 году опубликовал теорию, в которой пытался объяснить тот факт, что люди оказываются во вселенной, которая не столь хаотична, как зарождающееся поле термодинамика казалось, предсказывал. Он предложил несколько объяснений, одно из которых заключалось в том, что Вселенная, даже если она полностью случайна (или тепловое равновесие ), спонтанно изменится на более упорядоченный (илиэнтропия ) государственный. Одна из критических замечаний по поводу этой гипотезы «вселенной Больцмана» состоит в том, что наиболее распространенные тепловые флуктуации в целом максимально близки к равновесию; таким образом, по любому разумному критерию, наличие реальных людей в реальной вселенной было бы намного менее вероятно, чем существование «мозгов Больцмана» в одиночку в пустой вселенной.[нужна цитата ]

Мозг Больцмана приобрел новую актуальность примерно в 2002 году, когда некоторые космологи начали беспокоиться о том, что во многих существующих теориях о Вселенной человеческий мозг в нынешней Вселенной, по-видимому, значительно превосходит по численности мозг Больцмана в будущей Вселенной, который, случайно, точно те же представления, что и люди; это приводит к выводу, что статистически люди, вероятно, являются мозгом Больцмана. Такой сокращение до абсурда аргумент иногда используется, чтобы выступить против определенных теорий Вселенной. Применительно к более поздним теориям о мультивселенная, Аргументы мозга Больцмана являются частью нерешенных проблема меры космологии. Мозг Больцмана остается мысленным экспериментом; физики не верят, что люди на самом деле являются мозгом Больцмана, а скорее используют мысленный эксперимент как инструмент для оценки конкурирующих научных теорий.[нужна цитата ]

Вселенная Больцмана

В 1896 году математик Эрнст Цермело выдвинул теорию о том, что второй закон термодинамики был скорее абсолютным, чем статистическим.[3] Цермело поддержал свою теорию, указав, что Теорема Пуанкаре о возвращении 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. Чтобы противостоять аргументу Цермело, австрийский физик Людвиг Больцманн выдвинул две теории. Первая теория, которая сейчас 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 приписанная в 1895 году помощнику Больцмана Игнац Шютц, это сценарий «вселенной Больцмана». В этом сценарии Вселенная проводит большую часть вечности в безликом состоянии. тепловая смерть; 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. (Это может быть первое использование в современной науке антропный принцип ).[4][5]

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 при меньших флуктуациях. Физик Ричард Фейнман опубликовал аналогичный контраргумент в своей широко читаемой книге 1964 года. Лекции Фейнмана по физике. К 2004 году физики довели наблюдение Эддингтона до логического завершения: самые многочисленные наблюдатели в вечности тепловых флуктуаций будут минимальными «мозгами Больцмана», возникающими в безликой вселенной.[4][6]

Самопроизвольное образование

В конечном состоянии Вселенной эргодический «тепловая смерть», при наличии достаточного количества времени все возможные структуры (включая все возможные мозги) формируются посредством случайных колебаний. Временной масштаб для этого связан со временем повторения Пуанкаре.[4][7][8] Мысленные эксперименты в стиле Больцмана сосредоточены на таких структурах, как человеческий мозг, которые предположительно являются самосознательными наблюдателями. Принимая во внимание любые произвольные критерии того, что составляет мозг Больцмана (или планету, или вселенную), более мелкие структуры, которые минимально и едва соответствуют критериям, значительно и экспоненциально встречаются чаще, чем более крупные структуры; грубая аналогия - как вероятность того, что настоящее английское слово обнаружится, когда кто-то встряхнет коробку Скрэббл букв больше, чем вероятность того, что будет сформировано целое английское предложение или абзац.[9] Средняя шкала времени, необходимая для формирования мозга Больцмана, намного превышает нынешний возраст Вселенной. В современной физике мозг Больцмана может быть сформирован квантовая флуктуация, или тепловые колебания в целом с участием зарождение.[4]

Через квантовую флуктуацию

Согласно одному расчету, мозг Больцмана мог бы появиться как квантовое колебание в вакууме через временной интервал годы. Это колебание может происходить даже в истинном Пылесос Минковского (плоский пространственно-временной вакуум без энергия 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.[10]

Через зарождение

Текущие данные свидетельствуют о том, что вакуум, пронизывающий наблюдаемую Вселенную, - это не пространство Минковского, а скорее пространство де Ситтера с положительным космологическая постоянная.[11]:30 В вакууме де Ситтера (но не в вакууме Минковского) мозг Больцмана может формироваться путем зарождения невиртуальных частиц, постепенно случайно собранных из Радиация Хокинга испускается из ограниченного пространства де Ситтера. космологический горизонт. Одна оценка среднего времени, необходимого до зародышеобразования, составляет около годы.[10] 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».[4]

Теоретически мозг Больцмана также может сформироваться, хотя и с крошечной вероятностью, в любое время в ранней Вселенной, где преобладала материя.[12]

Современные реакции на проблему мозга Больцмана

Большинство космологов считают, что если теория предсказывает, что мозг Больцмана значительно превосходит по численности мозг нормального человека, то это признак того, что с теорией что-то не так.[4] Шон Кэрролл заявляет: «Мы не утверждаем, что мозг Больцмана существует - мы пытаемся избежать их».[7] Кэрролл заявил, что гипотеза о том, что вы являетесь мозгом Больцмана, приводит к «когнитивной нестабильности». Поскольку, как он утверждает, для формирования вашего мозга потребуется больше времени, чем нынешний возраст Вселенной, и, тем не менее, вы думаете, что наблюдаете, что существуете в более молодой Вселенной, это показывает, что ваши воспоминания и процессы мышления были бы ненадежными, если бы вы действительно мозг Больцмана.[13] Сет Ллойд заявил, что "они не Монти Пайтон тест: Прекрати это! Это слишком глупо! " Новый ученый Журналист резюмирует, что «отправной точкой для нашего понимания Вселенной и ее поведения является то, что люди, а не бестелесный мозг, являются типичными наблюдателями».[14]

Некоторые утверждают, что мозг образуется посредством квантовых флуктуаций, и, возможно, даже мозг создается посредством зарождения в вакуум де Ситтера, не считаются наблюдателями. Квантовые флуктуации легче исключить, чем зародыши мозга, поскольку квантовые флуктуации легче нацелить на простые критерии (такие как отсутствие взаимодействия с окружающей средой на бесконечности).[4][10]

Некоторые космологи считают, что лучшее понимание степеней свободы в квантовый вакуум из теория голографических струн может решить проблему мозга Больцмана.[15]

Брайан Грин утверждает: «Я уверен, что я не мозг Больцмана. Однако мы хотим, чтобы наши теории сходным образом соглашались с тем, что мы не мозг Больцмана, но до сих пор это оказалось для них удивительно трудным».[16]

В сценариях 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; космологи, такие как Алан Гут беспокоиться о том, что это может показаться «бесконечно маловероятным для нас быть нормальным мозгом».[9] Одно предостережение: если Вселенная ложный вакуум который локально распадается на Минковского или Большой хруст -граница пространство анти-де Ситтера менее чем за 20 миллиардов лет можно избежать бесконечного зарождения по Больцману. (Если средняя скорость локального распада ложного вакуума превышает 20 миллиардов лет, зарождение мозга Больцмана по-прежнему бесконечно, поскольку Вселенная увеличивается в размерах быстрее, чем локальный вакуумный коллапс разрушает части Вселенной в будущем коллапсах световые конусы ). Предлагаемые гипотетические механизмы разрушения Вселенной в течение этого периода времени варьируются от сверхтяжелых гравитино к более тяжелому, чем наблюдаемое, срабатыванию топ-кварка "смерть Хиггса ".[17][18][8]

Если космологической постоянной не существует и если наблюдаемая в настоящее время энергия вакуума из квинтэссенция который в конечном итоге полностью рассеется, то можно также избежать бесконечного зародышеобразования Больцмана.[19]

В вечной инфляции

Дальнейшая информация: Задача измерения (космология)

Один класс решений проблемы мозга Больцмана использует разные подходы к проблеме меры в космологии: бесконечный мультивселенная Согласно теории, отношение нормальных наблюдателей к мозгу Больцмана зависит от того, насколько бесконечны ограничения. Могут быть выбраны меры, позволяющие избежать значительной доли мозга Больцмана.[20][21][22] 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, зараженных мозгом Больцмана, приводит к тому, что в мультивселенной в целом доминирует мозг Больцмана.[8][23]

Проблема измерения в космологии также связана с соотношением нормальных наблюдателей и аномально ранних наблюдателей. В таких мерах, как подходящее время Для измерения, страдающего от крайней проблемы «молодости», типичный наблюдатель - это «ребенок Больцмана», образованный редкими колебаниями в чрезвычайно горячей ранней Вселенной.[12]

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, в соответствии с большинством моделей сознания неясно, можно ли с уверенностью заключить, что вы не являетесь таким «наблюдателем Больцмана» в случае, когда мозг Больцмана доминирует во Вселенной.[4] Даже под "экстернализм содержания «модели сознания», наблюдатели Больцмана, живущие в постоянных колебаниях размеров Земли в течение последних нескольких лет, превосходят численностью «нормальных наблюдателей», порожденных до «тепловой смерти» Вселенной.[24]

Как говорилось ранее, у большинства голов Больцмана есть «ненормальные» переживания; Фейнман указал, что, если человек знает, что он типичный мозг Больцмана, нельзя ожидать продолжения «нормальных» наблюдений в будущем.[4] Другими словами, во Вселенной, в которой доминирует Больцман, большинство мозгов Больцмана имеют «ненормальные» переживания, но большинство наблюдателей с только «нормальным» переживанием являются мозгами Больцмана из-за огромной численности населения мозгов Больцмана в такой Вселенной.[25]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Кэрролл, Шон (29 декабря 2008 г.). "Ричард Фейнман о мозгах Больцмана". Получено 24 июн 2019.
  2. ^ Шон Кэрролл (17 июня 2019 г.). "Разумный пейзаж Шона Кэрролла". preposterousuniverse.com (Подкаст). Шон Кэрролл. Событие происходит в 1: 01.47. Получено 2 марта 2019.
  3. ^ Кисть, С.Г., Туманная Земля: история современной планетной физики (Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1996), п. 129.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я Кэрролл, С., «Почему мозги Больцмана плохи» (Итака, Нью-Йорк: arXiv, 2017).
  5. ^ Бостром, Ник (2002). "Вступление". Антропный уклон: эффекты наблюдательного отбора в науке и философии. Психология Press. ISBN  9780415938587.
  6. ^ Альбрехт, Андреас; Сорбо, Лоренцо (сентябрь 2004 г.). "Может ли Вселенная позволить инфляцию?". Физический обзор D. 70 (6): 063528. arXiv:hep-th / 0405270. Bibcode:2004ПхРвД..70ф3528А. Дои:10.1103 / PhysRevD.70.063528. S2CID  119465499. Получено 16 декабря 2014.
  7. ^ а б Чой, Чарльз К. (13 сентября 2013 г.). «Судный день и бестелесный мозг? Крошечная частица управляет судьбой вселенной». Новости NBC. Получено 25 марта 2020.
  8. ^ а б c Линде, А. (2007). Тонет в ландшафте, мозги Больцмана и проблема космологической постоянной. Журнал космологии и физики астрономических частиц, 2007(01), 022.
  9. ^ а б Овербай, Деннис (2008). "Теория большого мозга: потеряли ли космологи свою?". Нью-Йорк Таймс. Получено 26 февраля 2018.
  10. ^ а б c Дэвенпорт, М., и Олум, К. Д. (2010). Есть ли мозги Больцмана в вакууме? Препринт arXiv arXiv: 1008.0808.
  11. ^ Муханов, В., Физические основы космологии (Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2005 г.), п. 30.
  12. ^ а б Буссо Р., Фрейвогель Б. и Янг И. С. (2008). Младенцы Больцмана в нужное время. Физический обзор D, 77(10), 103514.
  13. ^ Анантасвами, Анил (2017). «Вселенные, порождающие« космические мозги », должны отправляться на свалку». Новый ученый. Получено 25 марта 2020. Это несоответствие означает, что если мы действительно являемся мозгами Больцмана в старой вселенной, то наше восприятие тоже сбивается с толку. «У нас нет оснований полагать, что наши воспоминания о прошлом точны», - говорит Кэрролл.
  14. ^ Гроссман, Лиза (2014). «Квантовый поворот может убить мультивселенную». Новый ученый. Получено 25 марта 2020.
  15. ^ Гаррига, Дж., И Виленкин, А. (2009). Голографическая мультивселенная. Журнал космологии и физики астрономических частиц, 2009(01), 021.
  16. ^ Образец, Ян (8 февраля 2020 г.). Физик Брайан Грин: «Фактическая информация - не верный критерий для религии»'". Наблюдатель. Получено 25 марта 2020.
  17. ^ «Смерть Хиггса избавляет космос от космической угрозы мозгу». Новый ученый. 15 февраля 2017 г.. Получено 26 февраля 2018.
  18. ^ Бодди, К. К., и Кэрролл, С. М. (2013). Может ли бозон Хиггса спасти нас от угрозы мозга Больцмана ?. Препринт arXiv arXiv: 1308.4686.
  19. ^ Карлип, С. (2007). Временные наблюдатели и переменные константы или отражение вторжения в мозг Больцмана. Журнал космологии и физики астрономических частиц, 2007(06), 001.
  20. ^ Андреа Де Симоне; Алан Х. Гут; Андрей Линде; Махдияр Нурбала; Майкл П. Салем; Александр Виленкин (14 сентября 2010 г.). «Мозг Больцмана и мера отсечения масштабного фактора мультивселенной». Физический обзор D. 82 (6): 063520. arXiv:0808.3778. Bibcode:2010ПхРвД..82ф3520Д. Дои:10.1103 / PhysRevD.82.063520. S2CID  17348306.
  21. ^ Андрей Линде; Виталий Ванчурин; Сергей Виницкий (15 января 2009 г.). «Стационарная мера в мультивселенной». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2009 (1): 031. arXiv:0812.0005. Bibcode:2009JCAP ... 01..031L. Дои:10.1088/1475-7516/2009/01/031. S2CID  119269055.
  22. ^ Андрей Линде; Махдияр Нурбала (9 сентября 2010 г.). «Задача измерения вечной и невечной инфляции». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2010 (9): 008. arXiv:1006.2170. Bibcode:2010JCAP ... 09..008L. Дои:10.1088/1475-7516/2010/09/008. S2CID  119226491.
  23. ^ Bousso, R .; Фрейвогель, Б. (2007). «Парадокс в глобальном описании мультивселенной». Журнал физики высоких энергий. 2007 (6): 018. arXiv:hep-th / 0610132. Bibcode:2007JHEP ... 06..018B. Дои:10.1088/1126-6708/2007/06/018. S2CID  14462665.
  24. ^ Швицгебель, Эрик (июнь 2017 г.). «1% скептицизм». Нет. С. 271–290. Дои:10.1111 / ноус.12129.
  25. ^ Дограмачи, Синан (19 декабря 2019 г.). «Подтверждают ли все мои данные, что я мозг Больцмана?». Философские исследования. 177 (12): 3717–3723. Дои:10.1007 / s11098-019-01404-у.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка