Creierul Boltzmann

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 4 decembrie 2021; verificările necesită 8 modificări .

Creierul Boltzmann ( ing.  creierul Boltzmann ) este un obiect ipotetic care apare ca urmare a fluctuațiilor oricărui sistem și este capabil să-și dea seama de existența . Posibilitatea apariției unor astfel de obiecte este luată în considerare în unele experimente de gândire . Numit după Ludwig Boltzmann , care a adus o contribuție majoră la dezvoltarea fizicii statistice .

Istorie

Chiar și filozoful roman Titus Lucretius Car a considerat ideea că lumea există pentru totdeauna și este alcătuită doar din vid și atomi , care, mișcându-se pentru totdeauna în gol și ciocnindu-se unul cu celălalt, formează diverse configurații temporale, dintre care una este partea Universului pe care o avem. observa. În secolul al XIX-lea, Ludwig Boltzmann a avut opinii similare, crezând că universul există pentru totdeauna în timp atât în ​​direcția trecutului, cât și a viitorului și este un gaz omogen de atomi într-o stare de echilibru termodinamic cu entropie maximă . În diferite regiuni ale unui astfel de gaz, din când în când pot apărea fluctuații pe termen scurt, care scad pentru scurt timp entropia într-o anumită regiune a spațiului. Boltzmann a sugerat că volumul Universului pe care îl observăm, care include o structură organizată constând din stele, planete și ființe vii, este tocmai o astfel de fluctuație. Într-adevăr, dacă o astfel de lume există pentru totdeauna, atunci chiar și cele mai improbabile fluctuații apar mai devreme sau mai târziu, inclusiv cele care formează regiuni similare cu Universul pe care îl observăm. Cu toate acestea, după un studiu suplimentar al acestei probleme, s-a dovedit că acest scenariu nu este confirmat de observații. Pentru un astfel de caz relativ simplu (un sistem în stare de echilibru termodinamic), este posibil să se calculeze densitatea de probabilitate a diferitelor fluctuații. Și se dovedește că, cu cât scăderea entropiei este mai puternică în timpul fluctuațiilor, cu atât apar mai rar astfel de fluctuații. Formarea unui singur sistem solar în timpul fluctuațiilor este mai probabilă decât formarea întregului univers. Și formarea unui observator uman este mai probabilă decât formarea întregului sistem solar. Și chiar mai probabil formarea unui singur creier decât a unei întregi persoane. Prin urmare, s-a ajuns la concluzia că în acest caz ar fi mai probabil să ne găsim singuri [1] și înconjurați de un gaz haotic omogen cu entropie maximă decât să observăm un întreg Univers ordonat în jurul nostru. Acest lucru i-a determinat pe oamenii de știință la concluzia că scenariul lui Boltzmann este infirmat de observații. [2]

Astfel de entități sub formă de creier unic care au apărut ca urmare a fluctuațiilor și înconjurate de un gaz haotic omogen într-o stare de echilibru cu entropie mare au fost numite „creiere Boltzmann”. Acest termen a fost introdus de Andreas Albrecht și Lorenzo Sorbo [3] .

De asemenea, trebuie luat în considerare aici că, dacă legile fizice ale Universului permit o probabilitate pozitivă de apariție a vieții dintr-o cantitate mare de gaz ca urmare a evoluției (ca și în sistemul solar), atunci se poate dovedi să fie mai mare decât probabilitatea apariției unui creier Boltzmann separat. Acest lucru se explică prin faptul că nu prea contează cât de exact au fost amplasate moleculele de gaz la început, contează doar numărul de molecule. Și dacă probabilitatea apariției vieții în Universul nostru este cu adevărat mare, atunci probabilitatea apariției unui număr mare de atomi (în special, Big Bang) și molecule, și atunci originea vieții se poate dovedi a fi mai mare decât aspectul unui număr relativ mic de molecule, dar astfel ordonat încât să fie creierul Boltzmann. Din punct de vedere matematic, această problemă poate fi formulată după cum urmează:  fie - probabilitatea (pentru o perioadă de timp aproape nulă într-un volum suficient de mare de spațiu) apariției unui număr mare de particule elementare aproximativ într-un singur loc și aproape simultan și  - probabilitatea ca galaxii, stele și planete să se formeze din acest set de particule și viața să se nască pe una dintre planete. Fie  probabilitatea apariției a cel puțin unui creier boltzmannian (fără evoluție) într-un timp comparabil cu intervalul de la Big Bang până la apariția primei persoane care gândește conștient și în aceeași cantitate de spațiu. Atunci apare întrebarea: chiar trebuie să fie mai puțin ?

Problema creierului Boltzmann în cosmologia modernă

Conform viziunilor cosmologice moderne, Universul nostru are o densitate pozitivă a energiei în vid , ca urmare a căreia se extinde rapid , nu încet și va continua să se extindă pentru totdeauna. Mai devreme sau mai târziu , stelele își vor epuiza rezervele de hidrogen și alte elemente chimice capabile să susțină reacții nucleare în interiorul lor și se vor stinge. Unele dintre ele se vor transforma în găuri negre , care ulterior se vor evapora din cauza radiației Hawking . În cele din urmă, în timpul expansiunii eterne a Universului, densitatea tuturor tipurilor de materie obișnuită (cu excepția vidului) va scădea atât de mult încât Universul va fi practic doar spațiu gol cu ​​energie pozitivă a vidului, numit spațiu de Sitter sau vid de Sitter . Un astfel de vid are o temperatură scăzută , în urma căreia apar în mod constant fluctuații, ceea ce poate duce și la formarea creierului Boltzmann [4] . Aceasta înseamnă că, deși scenariul inițial al lui Boltzmann este incorect, paradoxul creierului boltzmannian poate rămâne valabil în lumea reală. Perioada de existență a Universului, când viața poate exista în el sub formă de observatori „normali”, este finită; în starea vidului de Sitter, Universul va rămâne pentru totdeauna. De ce, atunci, ne găsim ca observatori „normali” care ies din evoluție și nu ca creieri Boltzmann într-un vid de Sitter?

Deși într-un vid de Sitter poate apărea un creier Boltzmann, probabilitatea acestui eveniment este foarte mică. Conform lucrării lui Andrey Linde [5] , un astfel de eveniment poate avea loc aproximativ o dată la 10 10 50 de ani. Dar dacă timpul de existență al Universului este infinit, atunci și numărul de astfel de evenimente va fi infinit de mare. Într-un Univers infinit, numărul creierelor lui Boltzmann și al creierelor „normale” (produse ale evoluției) vor fi egale cu infinitul. Concluziile ulterioare depind de calculele precise ale densității de probabilitate a formării creierelor boltzmanniene (care apar ca urmare a fluctuațiilor) și a creierelor „normale” (care apar în cursul evoluției). Dacă densitatea de probabilitate a formării creierului Boltzmann este mai mare, atunci urmează un paradox („Paradoxul creierului Boltzmann / problemă” în cosmologia modernă): un obiect selectat aleatoriu în Univers care are o minte este mult mai probabil să fie rezultatul. al fluctuaţiilor decât un produs al evoluţiei . Dacă densitatea de probabilitate a formării unui creier „normal” se dovedește a fi mai mare, atunci este cel mai probabil să întâlnească produsul evoluției, și nu creierul Boltzmann.

Potrivit fizicianului teoretician și cosmolog Sean Carroll , în momentul de față nu există nicio modalitate de a afla ce se va forma mai mult în diferite scenarii ale multiversului  - creiere Boltzmann sau creiere „normale” - deoarece pentru a calcula și compara probabilitățile de naștere a universurilor, avem nevoie de teoria gravitației cuantice , care încă nu este construită. În plus, trebuie amintit că problema creierului Boltzmann apare atunci când se fac două ipoteze:

1) există o valoare maximă a entropiei;

2) Universul se află într-o stare de echilibru cu valoarea maximă a entropiei, care nu are unde să crească în continuare.

Dacă aceste două ipoteze nu sunt îndeplinite, atunci în această etapă a dezvoltării științei nu există nicio modalitate de a efectua calcule și de a compara probabilitățile de formare ale creierului Boltzmann și „normal”.

Pentru compararea probabilităților, în prezent se folosesc doar argumente calitative generale, care, totuși, nu permit tragerea de concluzii exacte și se contrazic între ele. Pe de o parte, dacă, din motive termodinamice sau de altă natură, un univers ipotetic se dovedește a fi capabil să susțină existența unor sisteme în evoluție doar pentru o perioadă limitată de timp, în timp ce este construit pe principii mecanice cuantice cunoscute de noi, atunci putem presupunem că densitatea de probabilitate a formării creierului Boltzmann va fi mai mare[ clarifica ] decât un creier normal . Pe de altă parte, trebuie de asemenea amintit că formarea unui creier boltzmannian este o fluctuație statistică asociată cu tranziția de la o stare de echilibru de entropie mare la o stare mai ordonată de entropie mai scăzută. Prin urmare, astfel de evenimente sunt extrem de rare. Dacă formarea unui creier „normal” în timpul evoluției nu este o astfel de fluctuație, ci este un proces regulat de tranziție la o stare cu o entropie mai mare, atunci este posibil ca astfel de evenimente să apară mai des decât formarea creierelor Boltzmann.

Pe baza unor evoluții în teoria gravitației cuantice, Sean Carroll propune un scenariu ipotetic al multiversului [6] [7] , în care fiecare univers, mai devreme sau mai târziu, ajunge la o stare de entropie ridicată sub forma unui de-Sitter. vid, datorită fluctuațiilor cuantice ale vidului și spațiului însuși, timpul dă naștere unor noi universuri, care se despart de el și încep o existență independentă. În noul univers, la început, există entropie scăzută și domină energia falsă a vidului, ca urmare a căreia apare inflația în el , iar după ce se termină și energia falsă a vidului se transformă în materie obișnuită (particule și radiații), apoi totul se întâmplă în conformitate cu modelul standard Big Bang : în el pot apărea galaxii, stele, planete și viață. Creierele Boltzmann apar uneori în universul părinte. Cu toate acestea, formarea unui creier Boltzmann este un eveniment puțin probabil în care are loc o scădere a entropiei. În scenariul formării universului nou-născut descris mai sus, starea inițială, care este un spațiu de Sitter cu entropie mare, evoluează într-un spațiu de Sitter cu entropie mare plus un nou univers mic. Și deși entropia noului univers este mică, totuși, entropia totală este totuși mai mare decât înainte de acest eveniment. Aceasta nu este o fluctuație a unei configurații de echilibru, cu entropie mare, într-o stare de entropie scăzută, ci o transformare a unei stări de entropie ridicată într-o stare de entropie și mai mare. Prin urmare, este foarte posibil ca, în acest scenariu, noi universuri să se formeze mai des decât creierele Boltzmann. Și fiecare univers potrivit pentru apariția vieții este capabil să genereze un număr mare de observatori. Prin urmare, este, de asemenea, posibil ca în acest scenariu numărul de observatori „normali” să fie mai mare decât numărul creierelor Boltzmann. Cu toate acestea, după cum notează Sean Carroll, starea actuală de dezvoltare a gravitației cuantice nu permite calcule precise și compararea probabilităților. Acest scenariu demonstrează doar că absența paradoxului creierului Boltzmann este posibilă în principiu. Punctul cheie al acestui scenariu este că multiversul nu are o stare de entropie maximă, iar multiversul nu este într-o stare de echilibru, ci este într-o stare de creștere infinită a entropiei.

Sean Carroll mai crede că, dacă interpretarea mecanicii cuantice pe mai multe lumi este corectă, problema creierului Boltzmann dispare. În interpretarea lui de Broglie-Bohm, paradoxul este de asemenea interzis. Cu toate acestea, în alte interpretări se păstrează.

În plus, trebuie reținut că paradoxul creierului boltzmannian nu este o inferență strictă, deoarece se bazează pe presupunerea nedovedită că suntem observatori tipici în univers (sau multivers). Deși mulți oameni de știință cred că această presupunere este utilă deoarece permite predicții statistice, nu este dovedită și în sine duce la o serie de probleme [8] . Chiar dacă majoritatea observatorilor sunt creiere boltzmanniene, s-ar putea să facem parte dintr-o clasă minoritară privilegiată de observatori „normali”.

La filme

În „ Gardienii Galaxiei Vol. Partea 2 Planeta inteligentă Ego și-a început existența ca un creier Boltzmann. Deși definiția în sine nu sună, ceea ce s-a întâmplat este arătat în mod deliberat literal.

În seria Holistic Detective Agency a lui Dirk Gently , numele de familie ale personajelor principale (frate și soră) sunt Brotzman (care este o referință directă). Aceste personaje au reușit să modeleze involuntar lumea din jurul lor.

În serialul Stargate: SG-1 , episodul 13 din sezonul 7, eroul filmului, maiorul Carter, cade într-o nebuloasă care induce halucinații. Clusterul prezentat în serie poate fi considerat un creier boltzmannian.

În literatură

În romanul „ Chthon ” de Piers Anthony, protagonistul principal este o minte anorganică, formată spontan în măruntaiele planetei, unde personajul principal ajunge să ispășească o condamnare pe viață.

Vezi și

Note

  1. ↑ Aici mai trebuie să arătăm că apariția fiecărui creier boltzmannian este un eveniment independent. În caz contrar, dacă corelația este foarte mare, atunci este mai probabil ca mai multe creiere să apară în aceeași zonă aproximativ în același timp.
  2. ↑ Carroll, 2017 , p. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. Can the Universe Afford Inflation? // Revista fizică, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , p. 413-414.
  5. ↑ Andrei Linde (2007). Sinks in the Landscape, Boltzmann Brains, and the Cosmological Constant Problem Arhivat 27 octombrie 2018 la Wayback Machine . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , p. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Sean . Inflația spontană și originea săgeții  timpului . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , p. 302-304.

Literatură

Link -uri