Boltzmannin aivot

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 4. joulukuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 8 muokkausta .

Boltzmann-aivot ( eng.  Boltzmann brain ) on hypoteettinen esine, joka syntyy minkä tahansa järjestelmän heilahtelujen seurauksena ja pystyy ymmärtämään olemassaolonsa . Tällaisten esineiden ilmaantumisen mahdollisuutta tarkastellaan joissakin ajatuskokeissa . Nimetty Ludwig Boltzmannin mukaan, joka antoi merkittävän panoksen tilastollisen fysiikan kehitykseen .

Historia

Jopa roomalainen filosofi Titus Lucretius Car pohti ajatusta siitä, että maailma on olemassa ikuisesti ja koostuu vain tyhjyydestä ja atomeista , jotka ikuisesti liikkuessaan tyhjyydessä ja törmääessään toisiinsa muodostavat erilaisia ​​ajallisia konfiguraatioita, joista yksi on osa maailmankaikkeutta. tarkkailla. 1800-luvulla Ludwig Boltzmann oli samankaltaisia ​​näkemyksiä uskoen, että maailmankaikkeus on olemassa ikuisesti ajassa sekä menneisyyden että tulevaisuuden suunnassa ja että se on homogeenista atomikaasua termodynaamisen tasapainon tilassa ja maksimaalisella entropialla . Tällaisen kaasun eri alueilla voi ajoittain esiintyä lyhytaikaisia ​​heilahteluja, jotka alentavat hetkellisesti entropiaa tietyllä avaruuden alueella. Boltzmann ehdotti, että tarkkailemamme maailmankaikkeuden tilavuus, joka sisältää tähdistä, planeetoista ja elävistä olennoista koostuvan organisoidun rakenteen, on juuri tällaista vaihtelua. Itse asiassa, jos tällainen maailma on olemassa ikuisesti, niin epätodennäköisimmätkin vaihtelut tapahtuvat ennemmin tai myöhemmin, mukaan lukien ne, jotka muodostavat havaitsemamme maailmankaikkeuden kaltaisia ​​alueita. Asiaa tarkemmin tutkittaessa kuitenkin kävi ilmi, että havainnot eivät vahvista tätä skenaariota. Tällaiselle suhteellisen yksinkertaiselle tapaukselle (termodynaamisen tasapainon tilassa oleva järjestelmä) on mahdollista laskea erilaisten vaihteluiden todennäköisyystiheys. Ja käy ilmi, että mitä voimakkaammin entropia heikkenee vaihteluiden aikana, sitä harvemmin tällaisia ​​vaihteluita esiintyy. Vain yhden aurinkokunnan muodostuminen vaihtelujen aikana on todennäköisempää kuin koko maailmankaikkeuden muodostuminen. Ja yhden ihmistarkkailijan muodostuminen on todennäköisempää kuin koko aurinkokunnan muodostuminen. Ja vielä todennäköisemmin vain yhden aivojen muodostuminen kuin kokonaisen ihmisen. Siksi pääteltiin, että tässä tapauksessa olisimme todennäköisemmin yksin [1] ja homogeenisen kaoottisen kaasun ympäröimänä, jolla on maksimi entropia, kuin havaitsemme ympärillämme koko järjestyneen maailmankaikkeuden. Tämä sai tutkijat päättelemään, että Boltzmannin skenaario kumotaan havainnoilla. [2]

Tällaisia ​​yksittäisten aivojen muodossa olevia kokonaisuuksia, jotka syntyivät vaihtelujen seurauksena ja joita ympäröi homogeeninen kaoottinen kaasu tasapainotilassa, jossa oli korkea entropia, kutsuttiin "Boltzmannin aivoiksi". Tämän termin otettiin käyttöön Andreas Albrecht ja Lorenzo Sorbo [3] .

Tässä on myös otettava huomioon, että jos maailmankaikkeuden fyysiset lait sallivat positiivisen todennäköisyyden elämän syntymiselle suuresta kaasumäärästä evoluution seurauksena (kuten aurinkokunnassa), niin se voi osoittautua olla suurempi kuin erillisten Boltzmann-aivojen ilmaantumisen todennäköisyys. Tämä selittyy sillä, että sillä ei ole oikeastaan ​​väliä kuinka tarkalleen kaasumolekyylit sijaitsivat alussa, vain molekyylien lukumäärällä on merkitystä. Ja jos elämän ilmaantumisen todennäköisyys universumissamme on todella korkea, niin suuren määrän atomien (erityisesti alkuräjähdyksen) ja molekyylien ilmaantumisen todennäköisyys ja sitten elämän alkuperä voi osoittautua suurempi kuin suhteellisen pienen molekyylimäärän ulkonäkö, mutta järjestynyt niin, että ne ovat Boltzmannin aivot. Matemaattisesti tämä ongelma voidaan muotoilla seuraavasti: oletetaan  - todennäköisyys (lähes nollaksi ajanjaksoksi riittävän suuressa tilavuudessa) suuren määrän alkuainehiukkasten ilmestymiselle suunnilleen yhdessä paikassa ja melkein samanaikaisesti, ja  - todennäköisyys, että galakseja, tähtiä ja planeettoja muodostuu tästä hiukkasjoukosta ja elämä syntyy jollekin planeetoista. Olkoon  ainakin yhden Boltzmannin aivojen (ilman evoluutiota) ilmestymisen todennäköisyys ajassa, joka on verrattavissa aikaväliin alkuräjähdyksestä ensimmäisen tietoisesti ajattelevan ihmisen ilmestymiseen, ja samassa tilassa. Sitten herää kysymys: onko sen todella oltava vähemmän ?

Boltzmannin aivojen ongelma modernissa kosmologiassa

Nykyaikaisten kosmologisten näkemysten mukaan universumillamme on positiivinen tyhjiöenergiatiheys , minkä seurauksena se laajenee nopeasti , ei hitaasti, ja jatkaa laajenemistaan ​​ikuisesti. Ennemmin tai myöhemmin tähdet tyhjentävät vety- ja muiden kemiallisten alkuaineiden varannot, jotka pystyvät tukemaan ydinreaktioita sisätiloissaan, ja sammuvat. Osa niistä muuttuu mustiksi aukoksi , jotka myöhemmin haihtuvat Hawkingin säteilyn vaikutuksesta . Lopulta maailmankaikkeuden ikuisen laajenemisen aikana kaikentyyppisten tavallisten aineiden (paitsi tyhjiö) tiheys putoaa niin paljon, että maailmankaikkeus on käytännössä vain tyhjää tilaa, jossa on positiivinen tyhjiöenergia, jota kutsutaan de Sitter -avaruudeksi tai de Sitter -tyhjiöksi . Tällaisella tyhjiöllä on alhainen lämpötila , minkä seurauksena siinä esiintyy jatkuvasti vaihteluita, mikä voi myös johtaa Boltzmannin aivojen muodostumiseen [4] . Tämä tarkoittaa, että vaikka Boltzmannin alkuperäinen skenaario on virheellinen, Boltzmannin aivojen paradoksi voi silti pitää paikkansa todellisessa maailmassa. Universumin olemassaolon ajanjakso, jolloin elämää voi olla siinä "normaalien" tarkkailijoiden muodossa, on rajallinen; de Sitter -tyhjiön tilassa universumi pysyy ikuisesti. Miksi sitten huomaamme olevansa "normaalit" evoluutiosta nousevat tarkkailijat emmekä Boltzmannin aivoina de Sitterin tyhjiössä?

Vaikka de Sitter -tyhjiössä voi ilmaantua Boltzmannin aivot, tämän tapahtuman todennäköisyys on hyvin pieni. Andrey Linden [5] työn mukaan tällainen tapahtuma voi tapahtua noin kerran 10 10 50 vuodessa. Mutta jos maailmankaikkeuden olemassaoloaika on ääretön, niin tällaisten tapahtumien määrä on myös äärettömän suuri. Äärettömässä universumissa Boltzmannin aivojen ja "normaalien" aivojen (evoluution tuotteet) lukumäärä on yhtä suuri kuin ääretön. Lisäpäätelmät riippuvat tarkoista laskelmista Boltzmannin aivojen (joka syntyy vaihtelujen seurauksena) ja "normaalien" aivojen (syntyy evoluution aikana) muodostumistiheydestä. Jos Boltzmannin aivojen muodostumisen todennäköisyystiheys on suurempi, seuraa paradoksi ("Boltzmannin aivojen paradoksi / ongelma" nykyaikaisessa kosmologiassa): satunnaisesti valittu esine universumista, jolla on mieli, on paljon todennäköisempää. vaihteluista kuin evoluution tuote . Jos "normaalien" aivojen muodostumisen todennäköisyystiheys osoittautuu korkeammaksi, se kohtaa todennäköisimmin evoluution tuotteen, ei Boltzmannin aivojen.

Teoreettisen fyysikon ja kosmologin Sean Carrollin mukaan tällä hetkellä ei ole mitään keinoa selvittää, mitä multiversumien eri skenaarioissa muodostuu enemmän  - Boltzmannin aivot vai "normaalit" aivot - koska laskea ja verrata todennäköisyyksien syntyä. universumit, tarvitsemme kvanttigravitaatioteorian , jota ei ole vieläkään rakennettu. Lisäksi on muistettava, että Boltzmannin aivojen ongelma syntyy, kun tehdään kaksi oletusta:

1) entropialla on maksimiarvo;

2) Universumi on tasapainotilassa, jossa on entropian maksimiarvo, jolla ei ole enää paikkaa kasvaa.

Jos nämä kaksi oletusta eivät täyty, niin tässä tieteen kehitysvaiheessa ei ole mahdollista tehdä laskelmia ja verrata Boltzmannin ja "normaalien" aivojen muodostumistodennäköisyyksiä.

Todennäköisyyksien vertailussa käytetään tällä hetkellä vain yleisiä kvalitatiivisia argumentteja, jotka eivät kuitenkaan mahdollista tarkkojen johtopäätösten tekemistä ja ovat ristiriidassa keskenään. Toisaalta, jos hypoteettinen universumi termodynaamisista tai muista syistä osoittautuu pystyvän tukemaan kehittyvien järjestelmien olemassaoloa vain rajoitetun ajan, samalla kun se rakennetaan meille tuntemillemme kvanttimekaanisille periaatteille, niin voimme oletetaan, että Boltzmannin aivojen muodostumisen todennäköisyystiheys on suurempi[ selventää ] kuin normaalit aivot . Toisaalta on myös muistettava, että Boltzmannin aivojen muodostuminen on tilastollinen vaihtelu, joka liittyy siirtymiseen korkean entropian tasapainotilasta alemman entropian järjestyneempään tilaan. Siksi tällaiset tapahtumat ovat erittäin harvinaisia. Jos "normaalien" aivojen muodostuminen evoluution aikana ei ole tällaista vaihtelua, vaan se on säännöllinen siirtymäprosessi tilaan, jossa on korkeampi entropia, niin on mahdollista, että tällaisia ​​tapahtumia tapahtuu useammin kuin Boltzmannin aivojen muodostumista.

Joihinkin kvanttigravitaation teorian kehitykseen perustuen Sean Carroll ehdottaa hypoteettista skenaariota multiversumista [6] [7] , jossa jokainen universumi ennemmin tai myöhemmin saavuttaa korkean entropian tilaan de-Sitterin muodossa. tyhjiö, tyhjön ja itse tilan kvanttivaihteluista johtuen aika synnyttää uusia universumeja, jotka eroavat siitä ja aloittavat itsenäisen olemassaolon. Uudessa maailmankaikkeudessa on aluksi alhainen entropia ja väärä tyhjiöenergia hallitsee, minkä seurauksena siinä tapahtuu inflaatiota ja sen jälkeen kun se loppuu ja väärä tyhjiöenergia muuttuu tavalliseksi aineeksi (hiukkaset ja säteily), sitten kaikki tapahtuu tavallisen Big Bang -mallin mukaisesti : siinä voi syntyä galakseja, tähtiä, planeettoja ja elämää. Boltzmannin aivot syntyvät joskus emouniversumissa. Boltzmann-aivojen muodostuminen on kuitenkin epätodennäköinen tapahtuma, jossa entropia vähenee. Yllä kuvatussa vastasyntyneen maailmankaikkeuden muodostumisskenaariossa alkutila, joka on korkean entropiainen Sitter-avaruus, kehittyy korkean entropian Sitter-avaruudeksi sekä pieneksi uudeksi universumiksi. Ja vaikka uuden maailmankaikkeuden entropia on pieni, kokonaisentropia on silti suurempi kuin ennen tätä tapahtumaa. Tämä ei ole tasapainoisen, korkean entropian konfiguraation vaihtelua matalan entropian tilaan, vaan korkean entropian tilan muutosta vielä korkeamman entropian tilaan. Siksi on täysin mahdollista, että tässä skenaariossa uusia universumeja muodostuu useammin kuin Boltzmannin aivot. Ja jokainen elämän syntymiseen sopiva universumi pystyy synnyttämään valtavan määrän tarkkailijoita. Siksi on myös mahdollista, että tässä skenaariossa "normaalien" tarkkailijoiden määrä on suurempi kuin Boltzmannin aivojen määrä. Kuitenkin, kuten Sean Carroll huomauttaa, kvanttigravitaation nykyinen kehitystila ei salli tarkkoja laskelmia ja todennäköisyyksien vertailua. Tämä skenaario vain osoittaa, että Boltzmannin aivoparadoksin puuttuminen on periaatteessa mahdollista. Tämän skenaarion avainkohta on, että multiversumilla ei ole maksimientropian tilaa, ja multiversumi ei ole tasapainotilassa, vaan entropian äärettömän kasvun tilassa.

Sean Carroll uskoo myös, että jos kvanttimekaniikan monien maailmojen tulkinta on oikea, Boltzmannin aivojen ongelma katoaa. De Broglie-Bohmin tulkinnassa paradoksi on myös kielletty. Kuitenkin muissa tulkinnoissa se säilyy.

Lisäksi on pidettävä mielessä, että Boltzmannin aivojen paradoksi ei ole tiukka päätelmä, koska se perustuu todistamattomaan olettamukseen, että olemme tyypillisiä tarkkailijoita universumissa (tai multiversumissa). Vaikka monet tutkijat uskovat tämän oletuksen olevan hyödyllinen, koska se mahdollistaa tilastolliset ennusteet, sitä ei ole todistettu ja se itsessään johtaa useisiin ongelmiin [8] . Vaikka suurin osa tarkkailijoista on Boltzmannin aivoja, saatamme hyvinkin kuulua "normaalien" tarkkailijoiden etuoikeutettuun vähemmistöluokkaan.

Elokuvissa

Teoksessa " Guardians of the Galaxy Vol. Osa 2 Älykäs planeetta Ego aloitti olemassaolonsa Boltzmannin aivoina. Vaikka määritelmä itsessään ei kuulosta, se, mitä tapahtui, näytetään tarkoituksella kirjaimellisesti.

Dirk Gentlyn Holistic Detective Agency -sarjassa päähenkilöiden (veli ja sisar) sukunimet ovat Brotzman (joka on suora viittaus) . Nämä hahmot pystyivät tahattomasti muokkaamaan ympäröivää maailmaa.

Sarjan Stargate: SG-1 , kauden 7 jaksossa 13, elokuvan sankari Major Carter putoaa sumuun, joka aiheuttaa hallusinaatioita. Sarjassa esiteltyä klusteria voidaan pitää Boltzmannin aivoina.

Kirjallisuudessa

Piers Anthonyn romaanissa " Chthon " päähenkilö on epäorgaaninen mieli, joka on spontaanisti muodostunut planeetan suolistossa, jossa päähenkilö joutuu kärsimään elinkautisen tuomion.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Tässä meidän on vielä osoitettava, että jokaisen Boltzmannin aivojen esiintyminen on itsenäinen tapahtuma. Muuten, jos korrelaatio on erittäin korkea, on todennäköisempää, että useita aivoja ilmestyy samalle alueelle suunnilleen samaan aikaan.
  2. ↑ Carroll, 2017 , s. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. Onko universumilla varaa inflaatioon? // Physical Review, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , s. 413-414.
  5. ↑ Andrei Linde (2007). Sinks in the Landscape, Boltzmannin aivot ja kosmologinen jatkuva ongelma Arkistoitu 27. lokakuuta 2018 Wayback Machinessa . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , s. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Sean . Spontaani inflaatio ja ajan nuolen  alkuperä . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , s. 302-304.

Kirjallisuus

Linkit