Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 , чтобы произойти в пути современной науке думает, что это действительно так. Впервые это было предложено как reductio ad absurdum ответ на раннее объяснение Людвига Больцмана низкоэнтропийного состояния нашей Вселенной. [1]

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 сформировать функционирующий человеческий мозг. Как и любой мозг в таких обстоятельствах, он почти сразу перестанет функционировать и начнет разрушаться. [2]

Идея названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана (1844–1906), который в 1896 году опубликовал теорию, в которой пытались объяснить тот факт, что люди оказываются во вселенной, которая не так хаотична, как, казалось, предсказывала зарождающаяся область термодинамики. . 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 к более упорядоченному (или с низкой энтропией).) 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 гораздо менее вероятно, чем существование «мозгов Больцмана» в одиночку в пустой вселенной. [ необходима цитата ]

Мозг Больцмана приобрел новую актуальность примерно в 2002 году, когда некоторые космологи начали беспокоиться о том, что во многих существующих теориях о Вселенной человеческие мозги в нынешней Вселенной, по-видимому, значительно превосходят по численности мозги Больцмана в будущей Вселенной, которые, случайно, точно те же представления, что и люди; это приводит к выводу, что статистически люди, вероятно, являются 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.. 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. [ необходима цитата ]

Вселенная Больцмана [ править ]

В 1896 году математик Эрнст Цермело выдвинул теорию, согласно которой второй закон термодинамики был абсолютным, а не статистическим. [3] Цермело подкрепил 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. Чтобы опровергнуть аргумент Цермело, австрийский физик Людвиг Больцманнвыдвинул 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. Больцман 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 ). [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 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. [4] [6]

Спонтанное образование [ править ]

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. [4] [7] [8] Мысленные эксперименты в стиле Больцмана сосредоточены на таких структурах, как человеческий мозг, которые предположительно являются самосознающими 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 - это то, как вероятность того, что настоящее английское слово обнаружится, когда кто-то встряхнет коробку Scrabbleбукв 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 либо квантовыми флуктуациями , либо тепловыми флуктуациями, обычно включающими зарождение . [4]

Через квантовую флуктуацию [ править ]

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. [10]

Через зарождение [ править ]

Текущие данные свидетельствуют о том, что вакуум, пронизывающий наблюдаемую Вселенную, не является пространством Минковского, а скорее пространством де Ситтера с положительной космологической постоянной . [11] : 30 В вакууме де Ситтера (но не в вакууме Минковского) мозг Больцмана может формироваться путем зарождения невиртуальных частиц, постепенно случайно собранных из излучения Хокинга, испускаемого из ограниченного космологического горизонта пространства де Ситтера . По одной оценке, среднее время, необходимое для зарождения, составляет около лет. [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 небольшой вероятностью, в любое время в ранней Вселенной, где преобладала материя. [12]

Современные реакции на проблему мозга Больцмана [ править ]

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. [4] Шон Кэрролл заявляет: «Мы не утверждаем, что мозги Больцмана существуют - мы пытаемся их избегать». [7] 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. [13] Сет Ллойд заявил: "они не проходят тест Монти Пайтон: Прекрати это! Это слишком глупо! » Журналист New Scientist 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, образованный посредством квантовой флуктуации, и, возможно, даже мозг, образованный посредством нуклеации в вакууме де Ситтера , не считаются наблюдателями. Квантовые флуктуации легче исключить, чем зародившийся мозг, поскольку квантовые флуктуации легче нацелить на простые критерии (например, отсутствие взаимодействия с окружающей средой на бесконечности). [4] [10]

Некоторые космологи считают , что лучшее понимание степеней свободы в квантовом вакууме в голографической теории струн может решить проблему мозга Больцмана. [15]

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». [16]

В сценариях с одной вселенной [ править ]

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, опасаются, что это может показаться «бесконечно маловероятным для нас, чтобы быть нормальным мозгом». [9] 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 Ситтераменее 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 все еще бесконечно, поскольку Вселенная увеличивается в размерах быстрее, чем локальный вакуумный коллапс разрушает части Вселенной в будущих световых конусах коллапса ). Предлагаемые гипотетические механизмы для разрушения Вселенной в течение этого периода времени варьируются от сверхтяжелого гравитино до более тяжелого, чем наблюдаемое, топ-кварка, вызывающего « смерть от Хиггса ». [17] [18] [8]

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. [19]

В вечной инфляции [ править ]

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. [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 измерениях, как измерение собственного времени, которые страдают от крайней проблемы «молодости», типичный наблюдатель - это «младенец Больцмана», образованный редкими колебаниями в чрезвычайно горячей, ранней Вселенной. [12]

Определение того, является ли человек наблюдателем Больцмана [ править ]

В сценариях мозга Больцмана отношение мозга Больцмана к «нормальным наблюдателям» астрономически велико. Практически любое соответствующее подмножество мозга Больцмана, такое 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, которые 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 такой «наблюдатель Больцмана», в случае, когда мозг Больцмана доминирует во Вселенной. [4] Даже в разделе " экстернализм содержания"«Модели сознания, наблюдатели Больцмана, живущие в постоянном колебании размером с Землю в течение последних нескольких лет, превосходят численностью« нормальных наблюдателей », порожденных до« тепловой смерти »Вселенной. [24]

Как указывалось ранее, у большинства мозгов Больцмана есть «ненормальные» переживания; Фейнман указал, что, если кто-то знает, что он типичный мозг Больцмана, он не ожидает продолжения «нормальных» наблюдений в будущем. [4] Другими словами, во Вселенной, где доминирует Больцман, большинство мозгов Больцмана испытывают «ненормальные» переживания, но большинство наблюдателей с «нормальным» переживанием являются мозгами Больцмана из-за подавляющего размера популяции мозгов Больцмана в такой среде. Вселенная. [25]

См. Также [ править ]

  • Антропный принцип
  • Бекенштейн связан
  • Мозг в чане
  • Китай мозг
  • Аргумент мечты
  • Эволюция биологической сложности
  • Матрешка мозг
  • Наблюдатель (физика)
  • Теорема Пуанкаре о возвращении
  • Смоделированная реальность
  • Гипотеза моделирования
  • Болотный человек

Заметки [ править ]

  1. ↑ Кэрролл, Шон (29 декабря 2008 г.). «Ричард Фейнман о мозгах Больцмана» . Проверено 24 июня 2019 .
  2. ^ Шон Кэрролл (17 июня 2019 г.). "Разумный пейзаж Шона Кэрролла" . preposterousuniverse.com (Подкаст). Шон Кэрролл. Событие происходит в 1: 01.47 . Проверено 2 марта 2019 .
  3. ↑ Brush, SG , Nebulous Earth: A History of Modern Planetary Physics ( Cambridge : Cambridge University Press , 1996), стр. 129 .
  4. ^ a b c d e f g h i Кэрролл С.М. , «Почему мозг Больцмана плохой» ( Итака, Нью-Йорк : arXiv , 2017).
  5. ^ Бостром, Ник (2002). "Вступление". Антропный уклон: эффекты отбора при наблюдении в науке и философии . Психология Press. ISBN 9780415938587.
  6. ^ Альбрехт, Андреас ; Сорбо, Лоренцо (сентябрь 2004 г.). "Может ли Вселенная позволить инфляцию?" . Physical Review D . 70 (6): 063528. arXiv : hep-th / 0405270 . Bibcode : 2004PhRvD..70f3528A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.70.063528 . S2CID 119465499 . Проверено 16 декабря 2014 . 
  7. ↑ a b Choi, Charles Q. (13 сентября 2013 г.). «Судный день и бестелесный мозг? Крошечная частица управляет судьбой вселенной» . NBC News . Проверено 25 марта 2020 года .
  8. ^ а б в Линде, А. (2007). Тонет в пейзаже, мозги Больцмана и проблема космологической постоянной. Журнал космологии и физики астрономических частиц , 2007 (01), 022.
  9. ^ a b Овербай, Деннис (2008). "Теория большого мозга: потеряли ли космологи свой?" . Нью-Йорк Таймс . Проверено 26 февраля 2018 .
  10. ^ a b c Мэтью Дэвенпорт; Кен Д. Олум. «Есть ли в вакууме мозги Больцмана?». arXiv : 1008.0808 .
  11. ^ Муханов, В. , Физические основы космологии (Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 2005), стр. 30 .
  12. ^ a b Буссо, Р., Фрейвогель, Б., и Янг, И.С. (2008). Младенцы Больцмана в нужное время. Physical Review D , 77 (10), 103514.
  13. ^ Ananthaswamy, Анил (2017). «Вселенные, порождающие« космические мозги », должны отправляться на свалку» . Новый ученый . Проверено 25 марта 2020 года . 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 . Проверено 25 марта 2020 года .
  15. ^ Garriga, J., & 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 . Проверено 25 марта 2020 года .
  17. ^ «Смерть Хиггса избавляет космос от космической угрозы мозгу» . Новый ученый . 15 февраля 2017 . Проверено 26 февраля 2018 .
  18. ^ Boddy, KK, и Кэрролл, SM (2013). Может ли бозон Хиггса спасти нас от угрозы мозга Больцмана ?. Препринт arXiv arXiv: 1308.4686.
  19. ^ Carlip, S. (2007). Временные наблюдатели и переменные константы или отражение вторжения в мозги 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». Physical Review D . 82 (6): 063520. arXiv : 0808.3778 . Bibcode : 2010PhRvD..82f3520D . DOI : 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 . DOI : 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 . DOI : 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 . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2007/06/018 . S2CID 14462665 . 
  24. ^ Schwitzgebel, Эрик (июнь 2017). «1% скептицизм». Нет . С. 271–290. DOI : 10.1111 / nous.12129 .
  25. ^ Дограмачи Синан (19 декабря 2019). «Подтверждают ли мои полные доказательства, что я мозг Больцмана?». Философские исследования . 177 (12): 3717–3723. DOI : 10.1007 / s11098-019-01404-у .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • «Возмущающие последствия космологической постоянной», Лиза Дайсон, Мэтью Клебан и Леонард Сасскинд , Журнал физики высоких энергий 0210 (2002) 011 ( at arXiv )
  • «Вероятно ли, что наша Вселенная распадется в течение 20 миллиардов лет?», Дон Н. Пейдж ( at arXiv )
  • «Риски в ландшафте, мозг Больцмана и проблема космологической постоянной», Андрей Линде , Журнал космологии и физики астрономических частиц , 0701 (2007) 022 ( at arXiv )
  • «Призраки в космосе», Мейсон Инман, New Scientist , том 195, выпуск 2617, 18 августа 2007 г., стр. 26–29 .
  • «Теория большого мозга: потеряли ли космологи свои?», Деннис Овербай, The New York Times , 15 января 2008 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • "Вы мозг Больцмана?" , PBS Space Time (2017)
  • Человеческий мозг и Вселенная - похожие формы? , ScienceAlert (2020)