Boltzmann hjerne

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 4. december 2021; checks kræver 8 redigeringer .

Boltzmann-hjerne ( eng. Boltzmann-hjerne ) er et hypotetisk objekt, der opstår som følge af fluktuationer i ethvert system og er i stand til at realisere dets eksistens . Muligheden for fremkomsten af sådanne objekter overvejes i nogle tankeeksperimenter . Opkaldt efter Ludwig Boltzmann , som ydede et stort bidrag til udviklingen af statistisk fysik .

Historie

Selv den romerske filosof Titus Lucretius Car overvejede ideen om, at verden eksisterer for evigt og kun består af tomhed og atomer , som bevæger sig for evigt i tomhed og kolliderer med hinanden, danner forskellige tidsmæssige konfigurationer, hvoraf den ene er den del af universet, vi observere. I det 19. århundrede havde Ludwig Boltzmann lignende synspunkter, idet han mente, at universet eksisterer for evigt i tid i retning af både fortiden og fremtiden, og er en homogen gas af atomer i en tilstand af termodynamisk ligevægt med maksimal entropi . I forskellige områder af en sådan gas kan der fra tid til anden forekomme kortvarige udsving, som kortvarigt sænker entropien i et givet rumområde. Boltzmann foreslog, at volumen af universet, vi observerer, som omfatter en organiseret struktur bestående af stjerner, planeter og levende væsener, netop er sådan en udsving. Faktisk, hvis en sådan verden eksisterer for evigt, så forekommer selv de mest usandsynlige udsving før eller siden, inklusive dem, der danner regioner, der ligner det univers, vi observerer. Ved yderligere undersøgelse af dette spørgsmål viste det sig imidlertid, at dette scenarie ikke er bekræftet af observationer. For et så relativt simpelt tilfælde (et system i en tilstand af termodynamisk ligevægt) er det muligt at beregne sandsynlighedstætheden for forskellige udsving. Og det viser sig, at jo stærkere faldet i entropi under udsving, jo sjældnere forekommer sådanne udsving. Dannelsen af kun et solsystem under udsving er mere sandsynlig end dannelsen af hele universet. Og dannelsen af en menneskelig observatør er mere sandsynlig end dannelsen af hele solsystemet. Og endnu mere sandsynligt dannelsen af kun én hjerne end en hel person. Derfor blev det konkluderet, at vi i dette tilfælde ville være mere tilbøjelige til at befinde os alene [1] og omgivet af en homogen kaotisk gas med maksimal entropi end at observere et helt ordnet univers omkring os. Dette fik videnskabsmænd til at konkludere, at Boltzmanns scenarie er tilbagevist af observationer. [2]

Sådanne enheder i form af enkelte hjerner, der opstod som følge af fluktuationer og omgivet af en homogen kaotisk gas i en ligevægtstilstand med høj entropi, blev kaldt "Boltzmann-hjerner". Dette udtryk blev introduceret af Andreas Albrecht og Lorenzo Sorbo [3] .

Det skal også tages i betragtning her, at hvis universets fysiske love tillader en positiv sandsynlighed for fremkomsten af liv fra en stor mængde gas som følge af evolution (som i solsystemet), så kan det vise sig at være større end sandsynligheden for fremkomsten af en separat Boltzmann-hjerne. Dette forklares med, at det ikke er helt ligegyldigt, hvordan præcist gasmolekylerne var placeret i begyndelsen, kun antallet af molekyler har betydning. Og hvis sandsynligheden for udseendet af liv i vores univers er virkelig høj, så kan sandsynligheden for udseendet af et stort antal atomer (især Big Bang) og molekyler, og derefter livets oprindelse vise sig at være større end udseendet af et relativt lille antal molekyler, men så ordnet, at det er Boltzmann-hjerne. Matematisk kan dette problem formuleres som følger: lad - sandsynligheden (i et næsten nul tidsrum i et tilstrækkeligt stort rumvolumen) for udseendet af et stort antal elementarpartikler omtrent på ét sted og næsten samtidigt, og - sandsynligheden for, at galakser, stjerner og planeter vil dannes ud fra dette sæt af partikler, og at liv vil blive født på en af planeterne. Lad være sandsynligheden for udseendet af mindst én Boltzmann-hjerne (uden evolution) i en tid, der kan sammenlignes med intervallet fra Big Bang til udseendet af den første bevidst tænkende person, og i samme mængde plads. Så opstår spørgsmålet: skal det virkelig være mindre ? $p_{1}$ $p_{2}$ $p_{3}$ $p_{1}p_{2}$ $p_{3}$

Problemet med Boltzmann-hjernen i moderne kosmologi

Ifølge moderne kosmologiske synspunkter har vores univers en positiv vakuumenergitæthed , som et resultat af hvilken det udvider sig hurtigt , ikke langsomt, og vil fortsætte med at udvide sig for evigt. Før eller siden vil stjernerne opbruge deres reserver af brint og andre kemiske grundstoffer, der er i stand til at understøtte kernereaktioner i deres indre, og vil gå ud. Nogle af dem vil blive til sorte huller , som efterfølgende vil fordampe på grund af Hawking-stråling . Til sidst, under universets evige udvidelse, vil tætheden af alle typer almindeligt stof (undtagen vakuum) falde så meget, at universet praktisk talt kun vil være et tomt rum med positiv vakuumenergi, kaldet de Sitter-rum eller de Sitter-vakuum . Et sådant vakuum har en lav temperatur , som et resultat af, at der konstant forekommer udsving i det, hvilket også kan føre til dannelsen af Boltzmann-hjerner [4] . Dette betyder, at selvom Boltzmanns oprindelige scenarie er forkert, kan det Boltzmannske hjerneparadoks stadig holde stik i den virkelige verden. Universets eksistensperiode, hvor liv kan eksistere i det i form af "normale" observatører, er begrænset; i tilstanden af de Sitter vakuum, vil universet forblive for evigt. Hvorfor befinder vi os så som "normale" observatører, der kommer ud af evolutionen, og ikke som Boltzmann-hjerner i et de Sitter-vakuum? $T\sim 10^{-29}K$

Selvom der i et de Sitter-vakuum kan opstå en Boltzmann-hjerne, er sandsynligheden for denne begivenhed meget lille. Ifølge Andrey Lindes arbejde [5] kan en sådan begivenhed forekomme cirka en gang hvert 10. 10. 50. år. Men hvis tiden for universets eksistens er uendelig, så vil antallet af sådanne begivenheder også være uendeligt stort. I et uendeligt univers vil antallet af Boltzmanns hjerner og "normale" hjerner (produkter af evolution) være lige så lig med uendelighed. Yderligere konklusioner afhænger af nøjagtige beregninger af sandsynlighedstætheden for dannelsen af Boltzmanniske hjerner (opstår som følge af fluktuationer) og "normale" hjerner (opstår i løbet af evolutionen). Hvis sandsynlighedstætheden for dannelsen af Boltzmann-hjernen er højere, så følger et paradoks ("Boltzmann-hjerneparadoks / problem" i moderne kosmologi): et tilfældigt udvalgt objekt i universet, der har et sind, er meget mere sandsynligt, at resultatet bliver resultatet. af fluktuationer end et produkt af evolution . Hvis sandsynlighedens tæthed for dannelsen af en "normal" hjerne viser sig at være højere, er det højst sandsynligt, at den møder evolutionens produkt og ikke Boltzmann-hjernen.

Ifølge teoretisk fysiker og kosmolog Sean Carroll er der i øjeblikket ingen måde at finde ud af, hvad der vil blive dannet mere i forskellige scenarier af multiverset - Boltzmann hjerner eller "normale" hjerner - fordi at beregne og sammenligne sandsynligheden for fødslen af universer, har vi brug for teorien om kvantetyngdekraften , som stadig ikke er bygget. Derudover skal det huskes, at problemet med Boltzmann-hjernen opstår, når der laves to antagelser:

1) der er en maksimal værdi af entropi;

2) Universet er i en ligevægtstilstand med den maksimale værdi af entropi, som ikke har nogen steder at stige yderligere.

Hvis disse to antagelser ikke er opfyldt, er der på dette stadium i videnskabens udvikling ingen måde at udføre beregninger på og sammenligne dannelsessandsynligheden for Boltzmann og "normale" hjerner.

For at sammenligne sandsynligheder bruges i øjeblikket kun generelle kvalitative argumenter, som dog ikke tillader at drage præcise konklusioner og modsiger hinanden. På den ene side, hvis et hypotetisk univers af termodynamiske eller andre årsager kun viser sig at være i stand til at understøtte eksistensen af udviklende systemer i et begrænset tidsrum, mens det er bygget på kvantemekaniske principper, vi kender, så kan vi antag, at sandsynligheden for dannelsen af Boltzmann-hjernen vil være højere[ afklare ] end en normal hjerne . På den anden side skal det også huskes, at dannelsen af en boltzmannisk hjerne er en statistisk fluktuation forbundet med overgangen fra en ligevægtstilstand med høj entropi til en mere ordnet tilstand med lavere entropi. Derfor er sådanne begivenheder yderst sjældne. Hvis dannelsen af en "normal" hjerne under evolutionen ikke er sådan en udsving, men er en regelmæssig overgangsproces til en tilstand med en højere entropi, så er det muligt, at sådanne begivenheder vil forekomme oftere end dannelsen af Boltzmann-hjerner.

Baseret på nogle udviklinger i teorien om kvantetyngdekraften, foreslår Sean Carroll et hypotetisk scenarie for multiverset [6] [7] , hvor hvert univers før eller siden kommer til en højentropitilstand i form af en de-Sitter vakuum, på grund af kvanteudsving i vakuumet og selve rummet, giver tiden anledning til nye universer, som adskilles fra det og begynder en selvstændig eksistens. I det nye univers er der først lav entropi, og den falske vakuumenergi dominerer, som et resultat af hvilken der opstår inflation i det , og efter at det slutter, og den falske vakuumenergi bliver til almindeligt stof (partikler og stråling), så er alt sker i overensstemmelse med standard Big Bang-modellen : i den kan galakser, stjerner, planeter og liv opstå. Boltzmann-hjerner opstår nogle gange i moderuniverset. Dannelsen af en Boltzmann-hjerne er dog en usandsynlig begivenhed, hvor der opstår et fald i entropi. I scenariet for dannelsen af det nyfødte univers beskrevet ovenfor, udvikler starttilstanden, som er et højentropi de Sitter rum, til et højentropi de Sitter rum plus et lille nyt univers. Og selvom entropien i det nye univers er lille, er den samlede entropi stadig større end før denne begivenhed. Dette er ikke en fluktuation af en ligevægts-, højentropikonfiguration til en laventropitilstand, men en transformation af en højentropitilstand til en tilstand med endnu højere entropi. Derfor er det meget muligt, at i dette scenarie vil nye universer dannes oftere end Boltzmann-hjerner. Og hvert univers, der er egnet til livets fremkomst, er i stand til at generere et stort antal observatører. Derfor er det også muligt, at antallet af "normale" observatører i dette scenarie vil være større end antallet af Boltzmann-hjerner. Men som Sean Carroll bemærker, tillader den nuværende udviklingstilstand af kvantetyngdekraften ikke nøjagtige beregninger og sammenligning af sandsynligheder. Dette scenarie viser kun, at fraværet af Boltzmann-hjerneparadokset i princippet er muligt. Nøglepunktet i dette scenarie er, at multiverset ikke har en tilstand af maksimal entropi, og multiverset er ikke i en ligevægtstilstand, men er i en tilstand af uendelig stigning i entropi.

Sean Carroll mener også, at hvis mange-verdenernes fortolkning af kvantemekanik er korrekt, forsvinder problemet med Boltzmann-hjernen. I fortolkningen af de Broglie-Bohm er paradokset også forbudt. I andre fortolkninger er det dog bevaret.

Derudover skal det huskes på, at det Boltzmannske hjerneparadoks ikke er en streng slutning, da det bygger på den ubeviste antagelse om, at vi er typiske observatører i universet (eller multivers). Selvom mange videnskabsmænd mener, at denne antagelse er nyttig, fordi den tillader statistiske forudsigelser, er den ikke bevist og fører i sig selv til en række problemer [8] . Selvom flertallet af observatører er boltzmannske hjerner, kan vi godt være en del af en privilegeret minoritetsklasse af "normale" observatører.

I biografen

I " Guardians of the Galaxy Vol. Del 2 Den intelligente planet Ego begyndte sin eksistens som en Boltzmann-hjerne. Selvom definitionen i sig selv ikke lyder, er det, der skete, vist bevidst bogstaveligt.

I Dirk Gentlys serie Holistic Detective Agency er efternavnene på hovedpersonerne (bror og søster) Brotzman (som er en direkte reference). Disse karakterer var i stand til ufrivilligt at forme verden omkring dem.

I serien Stargate: SG-1 , afsnit 13 af sæson 7, falder filmens helt, Major Carter, ind i en tåge, der fremkalder hallucinationer. Den klynge, der præsenteres i serien, kan betragtes som en boltzmannisk hjerne.

I litteratur

I romanen " Chthon " af Piers Anthony er hovedpersonen et uorganisk sind, spontant dannet i planetens indvolde, hvor hovedpersonen ender med at afsone en livstidsdom.

Se også

Antropisk princip

Noter

↑ Her mangler vi stadig at vise, at udseendet af hver boltzmannsk hjerne er en uafhængig begivenhed. Ellers, hvis korrelationen er meget høj, så er det mere sandsynligt, at flere hjerner vil dukke op i det samme område på nogenlunde samme tid.
↑ Carroll, 2017 , s. 287-302.
↑ Albrecht A., Sorbo L. Kan universet råd til inflation? // Physical Review, 2004, D 70, 63528.
↑ Carroll, 2017 , s. 413-414.
↑ Andrei Linde (2007). Sinks in the Landscape, Boltzmann Brains, and the Cosmological Constant Problem Arkiveret 27. oktober 2018 på Wayback Machine . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
↑ Carroll, 2017 , s. 470-483.
↑ Carroll, Sean . Spontan inflation og oprindelsen af tidens pil . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
↑ Carroll, 2017 , s. 302-304.

Litteratur

Carroll, Sean . Hvorfor Boltzmann-hjerner er dårlige // Aktuelle kontroverser i videnskabsfilosofi. - 2017. - arXiv : 1702.00850 .
Carroll, Sean . Evighed. På jagt efter den ultimative teori om tid = fra evigheden til her. Jagten på den ultimative teori om tid . - Sankt Petersborg. : Peter, 2017. - 512 s. — ISBN 978-5-496-01017-7 .