Boltzmann hjärna

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 4 december 2021; kontroller kräver 8 redigeringar .

Boltzmann hjärna ( eng.  Boltzmann hjärna ) är ett hypotetiskt objekt som uppstår som ett resultat av fluktuationer i vilket system som helst och som kan inse dess existens . Möjligheten av uppkomsten av sådana föremål övervägs i vissa tankeexperiment . Uppkallad efter Ludwig Boltzmann , som gjorde ett stort bidrag till utvecklingen av statistisk fysik .

Historik

Till och med den romerske filosofen Titus Lucretius Car ansåg tanken att världen existerar för evigt och endast består av tomhet och atomer , som för evigt rör sig i tomhet och kolliderar med varandra, bildar olika tidsmässiga konfigurationer, varav en är den del av universum vi observera. På 1800-talet hade Ludwig Boltzmann liknande åsikter, och trodde att universum existerar för evigt i tiden i riktning mot både det förflutna och framtiden, och är en homogen gas av atomer i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt med maximal entropi . I olika regioner av en sådan gas kan kortvariga fluktuationer förekomma från tid till annan, vilket kortvarigt sänker entropin i en given region av rymden. Boltzmann föreslog att volymen av universum vi observerar, som inkluderar en organiserad struktur bestående av stjärnor, planeter och levande varelser, är just en sådan fluktuation. Faktum är att om en sådan värld existerar för evigt, så inträffar även de mest osannolika fluktuationerna förr eller senare, inklusive de som bildar regioner som liknar det universum vi observerar. Men vid ytterligare studier av denna fråga visade det sig att detta scenario inte bekräftas av observationer. För ett så relativt enkelt fall (ett system i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt) är det möjligt att beräkna sannolikhetstätheten för olika fluktuationer. Och det visar sig att ju starkare minskningen av entropi under fluktuationer är, desto mindre ofta förekommer sådana fluktuationer. Bildandet av endast ett solsystem under fluktuationer är mer troligt än bildandet av hela universum. Och bildandet av en mänsklig observatör är mer sannolikt än bildandet av hela solsystemet. Och ännu mer sannolikt bildandet av endast en hjärna än en hel person. Därför drogs slutsatsen att vi i detta fall skulle vara mer benägna att befinna oss ensamma [1] och omgivna av en homogen kaotisk gas med maximal entropi än att observera ett helt ordnat universum omkring oss. Detta fick forskare att dra slutsatsen att Boltzmanns scenario motbevisas av observationer. [2]

Sådana entiteter i form av enstaka hjärnor som uppstod som ett resultat av fluktuationer och omgivna av en homogen kaotisk gas i ett jämviktstillstånd med hög entropi kallades "Boltzmann-hjärnor". Denna term introducerades av Andreas Albrecht och Lorenzo Sorbo [3] .

Det bör också beaktas här att om universums fysiska lagar tillåter en positiv sannolikhet för uppkomsten av liv från en stor mängd gas som ett resultat av evolution (som i solsystemet), så kan det visa sig att vara större än sannolikheten för uppkomsten av en separat Boltzmann-hjärna. Detta förklaras av att det egentligen inte spelar någon roll hur exakt gasmolekylerna var lokaliserade i början, bara antalet molekyler har betydelse. Och om sannolikheten för uppkomsten av liv i vårt universum är riktigt hög, kan sannolikheten för uppkomsten av ett stort antal atomer (särskilt Big Bang) och molekyler, och då livets ursprung visa sig vara större än utseendet på ett relativt litet antal molekyler, men så ordnad att det är Boltzmann-hjärnan. Matematiskt kan detta problem formuleras på följande sätt: låt  - sannolikheten (för en tid nästan noll i en tillräckligt stor rymdvolym) för att ett stort antal elementarpartiklar uppträder ungefär på ett ställe och nästan samtidigt, och  - sannolikheten att galaxer, stjärnor och planeter kommer att bildas från denna uppsättning partiklar och att liv kommer att födas på en av planeterna. Låt vara  sannolikheten för uppkomsten av minst en Boltzmannisk hjärna (utan evolution) under en tid som är jämförbar med intervallet från Big Bang till utseendet av den första medvetet tänkande personen, och i samma mängd utrymme. Då uppstår frågan: måste det verkligen vara mindre ?

Problemet med Boltzmann-hjärnan i modern kosmologi

Enligt moderna kosmologiska åsikter har vårt universum en positiv vakuumenergitäthet , som ett resultat av vilket det expanderar snabbt , inte långsamt, och kommer att fortsätta att expandera för alltid. Förr eller senare kommer stjärnorna att tömma sina reserver av väte och andra kemiska element som kan stödja kärnreaktioner i deras inre och kommer att slockna. Några av dem kommer att förvandlas till svarta hål , som sedan kommer att avdunsta på grund av Hawking-strålning . Så småningom, under universums eviga expansion, kommer densiteten av alla typer av vanlig materia (förutom vakuum) att sjunka så mycket att universum praktiskt taget bara kommer att vara ett tomt utrymme med positiv vakuumenergi, kallat de Sitter space eller de Sitter vakuum . Ett sådant vakuum har en låg temperatur , vilket resulterar i att fluktuationer ständigt uppstår i det, vilket också kan leda till bildandet av Boltzmann-hjärnor [4] . Detta betyder att även om Boltzmanns ursprungliga scenario är felaktigt, kan den Boltzmannska hjärnparadoxen fortfarande gälla i den verkliga världen. Universums existensperiod, då liv kan existera i det i form av "normala" observatörer, är ändlig; i tillståndet av de Sitter-vakuumet kommer universum att förbli för alltid. Varför befinner vi oss då som "normala" observatörer som kommer ur evolutionen, och inte som Boltzmann-hjärnor i ett de Sitter-vakuum?

Även om en Boltzmann-hjärna kan dyka upp i ett de Sitter-vakuum, är sannolikheten för denna händelse mycket liten. Enligt Andrey Lindes arbete [5] kan en sådan händelse inträffa ungefär en gång vart 10 10 50 år. Men om tiden för universums existens är oändlig, kommer antalet sådana händelser också att vara oändligt stort. I ett oändligt universum kommer antalet Boltzmanns hjärnor och "normala" hjärnor (evolutionens produkter) att vara lika med oändligheten. Ytterligare slutsatser beror på exakta beräkningar av sannolikhetstätheten för bildandet av Boltzmanniska hjärnor (som uppstår som ett resultat av fluktuationer) och "normala" hjärnor (som uppstår under evolutionens gång). Om sannolikhetstätheten för bildandet av Boltzmann-hjärnan är högre, följer en paradox ("Boltzmann-hjärnparadox / problem" i modern kosmologi): ett slumpmässigt utvalt objekt i universum som har ett sinne är mycket mer sannolikt att resultatet blir av fluktuationer än en produkt av evolutionen . Om sannolikhetstätheten för bildandet av en "normal" hjärna visar sig vara högre, är det mest sannolikt att den möter evolutionens produkt och inte Boltzmann-hjärnan.

Enligt teoretisk fysiker och kosmolog Sean Carroll finns det för närvarande inget sätt att ta reda på vad som kommer att bildas mer i olika scenarier av multiversum  - Boltzmann-hjärnor eller "normala" hjärnor - för att beräkna och jämföra sannolikheterna för födelsen av universum behöver vi teorin om kvantgravitation , som fortfarande inte är byggd. Dessutom måste man komma ihåg att problemet med Boltzmann-hjärnan uppstår när två antaganden görs:

1) det finns ett maximalt värde på entropi;

2) Universum är i ett jämviktstillstånd med det maximala värdet av entropi, som inte har någonstans att öka ytterligare.

Om dessa två antaganden inte uppfylls, finns det i detta skede av vetenskapens utveckling inget sätt att utföra beräkningar och jämföra bildningssannolikheterna för Boltzmann och "normala" hjärnor.

För att jämföra sannolikheter används för närvarande endast generella kvalitativa argument, som dock inte tillåter att man drar korrekta slutsatser och motsäger varandra. Å ena sidan, om ett hypotetiskt universum av termodynamiska eller andra skäl visar sig kunna stödja existensen av utvecklande system endast under en begränsad tid, samtidigt som det bygger på kvantmekaniska principer som är kända för oss, då kan vi anta att sannolikheten att tätheten för bildandet av Boltzmann-hjärnan kommer att vara högre[ förtydliga ] än en normal hjärna . Å andra sidan måste man också komma ihåg att bildandet av en Boltzmannisk hjärna är en statistisk fluktuation som är förknippad med övergången från ett jämviktstillstånd med hög entropi till ett mer ordnat tillstånd av lägre entropi. Därför är sådana händelser extremt sällsynta. Om bildandet av en "normal" hjärna under evolutionen inte är en sådan fluktuation, utan är en regelbunden övergångsprocess till ett tillstånd med högre entropi, är det möjligt att sådana händelser kommer att inträffa oftare än bildandet av Boltzmann-hjärnor.

Baserat på några utvecklingar inom teorin om kvantgravitation, föreslår Sean Carroll ett hypotetiskt scenario av multiversum [6] [7] , där varje universum förr eller senare kommer till ett högentropitillstånd i form av en de-Sitter vakuum, på grund av kvantfluktuationer i vakuumet och själva rummet, ger tiden upphov till nya universum, som separeras från det och börjar en självständig existens. I det nya universum finns det till en början låg entropi och den falska vakuumenergin dominerar, vilket resulterar i att inflation uppstår i den , och efter att den tar slut och den falska vakuumenergin förvandlas till vanlig materia (partiklar och strålning), sedan allt sker i enlighet med standard Big Bang-modellen : i den kan galaxer, stjärnor, planeter och liv uppstå. Boltzmannhjärnor uppstår ibland i moderuniversumet. Men bildandet av en Boltzmann-hjärna är en osannolik händelse där en minskning av entropin inträffar. I scenariot för bildandet av det nyfödda universum som beskrivs ovan, utvecklas initialtillståndet, som är ett högentropi-de Sitter-rymd, till ett högentropi-de Sitter-utrymme plus ett litet nytt universum. Och även om entropin i det nya universum är liten, är den totala entropin fortfarande större än före denna händelse. Detta är inte en fluktuation av en jämviktskonfiguration med hög entropi till ett lågentropitillstånd, utan en transformation av ett högentropitillstånd till ett tillstånd med ännu högre entropi. Därför är det mycket möjligt att i detta scenario kommer nya universum att bildas oftare än Boltzmanns hjärnor. Och varje universum som är lämpligt för livets uppkomst kan generera ett stort antal observatörer. Därför är det också möjligt att i detta scenario kommer antalet "normala" observatörer att vara större än antalet Boltzmann-hjärnor. Men, som Sean Carroll noterar, tillåter det nuvarande utvecklingsläget för kvantgravitationen inte exakta beräkningar och jämförelser av sannolikheter. Detta scenario visar bara att frånvaron av Boltzmann-hjärnparadoxen i princip är möjlig. Nyckelpunkten i detta scenario är att multiversum inte har ett tillstånd av maximal entropi, och multiversum är inte i ett jämviktstillstånd, utan är i ett tillstånd av oändlig ökning av entropi.

Sean Carroll tror också att om många världars tolkning av kvantmekaniken är korrekt, försvinner problemet med Boltzmann-hjärnan. I tolkningen av de Broglie-Bohm är paradoxen också förbjuden. I andra tolkningar finns det dock bevarat.

Dessutom måste man komma ihåg att den Boltzmannska hjärnparadoxen inte är en strikt slutledning, eftersom den bygger på det obevisade antagandet att vi är typiska observatörer i universum (eller multiversum). Även om många forskare tror att detta antagande är användbart eftersom det tillåter statistiska förutsägelser, är det inte bevisat och leder i sig till ett antal problem [8] . Även om majoriteten av observatörerna är boltzmannska hjärnor, kan vi mycket väl vara en del av en privilegierad minoritetsklass av "normala" observatörer.

På bio

I " Guardians of the Galaxy Vol. Del 2 Den intelligenta planeten Ego började sin existens som en Boltzmann-hjärna. Även om definitionen i sig inte låter, visas det som hände medvetet bokstavligt.

I Dirk Gentlys serie Holistic Detective Agency är efternamnen på huvudkaraktärerna (bror och syster) Brotzman (vilket är en direkt referens). Dessa karaktärer kunde ofrivilligt forma världen omkring dem.

I serien Stargate: SG-1 , avsnitt 13 av säsong 7, faller filmens hjälte, Major Carter, in i en nebulosa som framkallar hallucinationer. Klustret som presenteras i serien kan betraktas som en boltzmannisk hjärna.

I litteratur

I romanen " Chthon " av Piers Anthony är huvudpersonen ett oorganiskt sinne, spontant bildat i planetens tarmar, där huvudpersonen slutar med att avtjäna ett livstidsstraff.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Här behöver vi fortfarande visa att utseendet på varje boltzmannisk hjärna är en oberoende händelse. Annars, om korrelationen är mycket hög, är det mer sannolikt att flera hjärnor kommer att dyka upp i samma område vid ungefär samma tidpunkt.
  2. ↑ Carroll, 2017 , sid. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. Kan universum råd med inflation? // Physical Review, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , sid. 413-414.
  5. ↑ Andrei Linde (2007). Sänkor i landskapet, Boltzmann-hjärnor och det kosmologiska konstanta problemet arkiverade 27 oktober 2018 på Wayback Machine . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , sid. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Sean . Spontan inflation och uppkomsten av  tidens pil . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , sid. 302-304.

Litteratur

Länkar