Boltzmannův mozek

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 4. prosince 2021; kontroly vyžadují 8 úprav .

Boltzmannův mozek ( angl.  Boltzmannův mozek ) je hypotetický objekt, který vzniká jako důsledek kolísání libovolného systému a je schopen si svou existenci uvědomit . Možnost vzniku takových objektů je zvažována v některých myšlenkových experimentech . Pojmenován po Ludwigu Boltzmannovi , který významně přispěl k rozvoji statistické fyziky .

Historie

Již římský filozof Titus Lucretius Car uvažoval o myšlence, že svět existuje věčně a skládá se pouze z prázdnoty a atomů , které se věčně pohybují v prázdnotě a navzájem se srážejí a vytvářejí různé časové konfigurace, z nichž jedna je součástí vesmíru, který jsme pozorovat. V 19. století zastával podobné názory Ludwig Boltzmann, který věřil, že vesmír existuje navždy v čase ve směru minulosti i budoucnosti a je homogenním plynem atomů ve stavu termodynamické rovnováhy s maximální entropií . V různých oblastech takového plynu může čas od času dojít ke krátkodobým výkyvům, které krátkodobě sníží entropii v dané oblasti prostoru. Boltzmann navrhl, že objem vesmíru, který pozorujeme a který zahrnuje organizovanou strukturu skládající se z hvězd, planet a živých bytostí, je právě takovým kolísáním. Pokud takový svět existuje věčně, pak se dříve nebo později objeví i ty nejnepravděpodobnější fluktuace, včetně těch, které tvoří oblasti podobné vesmíru, který pozorujeme. Při dalším studiu této problematiky se však ukázalo, že tento scénář není pozorováním potvrzen. Pro takový relativně jednoduchý případ (systém ve stavu termodynamické rovnováhy) je možné vypočítat hustotu pravděpodobnosti různých fluktuací. A ukazuje se, že čím silnější je pokles entropie při fluktuacích, tím méně často k takovým výkyvům dochází. Vznik pouze jedné sluneční soustavy při fluktuacích je pravděpodobnější než vznik celého vesmíru. A vznik jednoho lidského pozorovatele je pravděpodobnější než vznik celé sluneční soustavy. A ještě pravděpodobnější vznik pouze jednoho mozku než celého člověka. Proto se dospělo k závěru, že v tomto případě bychom se pravděpodobněji ocitli sami [1] a obklopeni homogenním chaotickým plynem s maximální entropií, než abychom kolem sebe pozorovali celý uspořádaný Vesmír. To vedlo vědce k závěru, že Boltzmannův scénář je vyvrácen pozorováním. [2]

Takové entity v podobě jednotlivých mozků, které vznikly v důsledku fluktuací a obklopené homogenním chaotickým plynem v rovnovážném stavu s vysokou entropií, se nazývaly „Boltzmannovy mozky“. Tento termín zavedli Andreas Albrecht a Lorenzo Sorbo [3] .

Zde je také třeba vzít v úvahu, že pokud fyzikální zákony vesmíru umožňují pozitivní pravděpodobnost vzniku života z velkého množství plynu v důsledku evoluce (jako ve sluneční soustavě), pak to může dopadnout být větší než pravděpodobnost výskytu samostatného Boltzmannova mozku. To se vysvětluje tím, že nezáleží na tom, jak přesně byly molekuly plynu umístěny na začátku, záleží pouze na počtu molekul. A pokud je pravděpodobnost výskytu života v našem vesmíru opravdu vysoká, pak pravděpodobnost výskytu velkého počtu atomů (zejména velkého třesku) a molekul a pak se může ukázat, že vznik života je větší než vzhled relativně malého počtu molekul, ale tak uspořádané, že jde o Boltzmannův mozek. Matematicky lze tento problém formulovat následovně: nechť  - pravděpodobnost (za téměř nulovou dobu v dostatečně velkém objemu prostoru) výskytu velkého množství elementárních částic přibližně na jednom místě a téměř současně, a  - pravděpodobnost, že z tohoto souboru částic vzniknou galaxie, hvězdy a planety a na jedné z planet se zrodí život. Nechť  je pravděpodobnost výskytu alespoň jednoho boltzmannovského mozku (bez evoluce) v době srovnatelné s intervalem od velkého třesku do objevení se první vědomě myslící osoby a ve stejném prostoru. Pak vyvstává otázka: opravdu to musí být méně ?

Problém Boltzmannova mozku v moderní kosmologii

Podle moderních kosmologických názorů má náš vesmír kladnou hustotu energie vakua , v důsledku čehož se rozpíná rychle , nikoli pomalu, a bude se rozpínat navždy. Dříve nebo později hvězdy vyčerpají své zásoby vodíku a dalších chemických prvků schopných podporovat jaderné reakce ve svém nitru a zhasnou. Některé z nich se promění v černé díry , které se následně vypaří vlivem Hawkingova záření . Nakonec během věčného rozpínání Vesmíru hustota všech druhů běžné hmoty (kromě vakua) klesne natolik, že Vesmír bude prakticky jen prázdný prostor s kladnou energií vakua, nazývaný de Sitterův prostor nebo de Sitterovo vakuum . Takové vakuum má nízkou teplotu , v důsledku čehož v něm neustále dochází ke kolísání, které může vést i ke vzniku Boltzmannových mozků [4] . To znamená, že ačkoli je Boltzmannův původní scénář nesprávný, Boltzmannův mozkový paradox může stále platit v reálném světě. Období existence Vesmíru, kdy v něm může existovat život v podobě „normálních“ pozorovatelů, je konečné; ve stavu de Sitterova vakua zůstane vesmír navždy. Proč se tedy ocitáme jako „normální“ pozorovatelé vycházející z evoluce, a ne jako Boltzmannovy mozky v de Sitterově vakuu?

Ačkoli se v de Sitterově vakuu může objevit Boltzmannův mozek, pravděpodobnost této události je velmi malá. Podle práce Andrey Linde [5] k takové události může dojít přibližně jednou za 10 10 50 let. Pokud je ale doba existence Vesmíru nekonečná, pak bude nekonečně velký i počet takových událostí. V nekonečném vesmíru bude počet Boltzmannových mozků a "normálních" mozků (produktů evoluce) stejně rovný nekonečnu. Další závěry závisí na přesných výpočtech hustoty pravděpodobnosti vzniku Boltzmannových mozků (vznikajícího v důsledku fluktuací) a „normálních“ mozků (vznikající v průběhu evoluce). Pokud je hustota pravděpodobnosti vzniku Boltzmannova mozku vyšší, pak následuje paradox („Boltzmannův mozkový paradox / problém“ v moderní kosmologii): výsledkem je mnohem pravděpodobněji náhodně vybraný objekt ve vesmíru, který má mysl. fluktuací než produktem evoluce . Pokud se ukáže, že hustota pravděpodobnosti vzniku „normálního“ mozku je vyšší, pak se s největší pravděpodobností setká s produktem evoluce, nikoli s Boltzmannovým mozkem.

Podle teoretického fyzika a kosmologa Seana Carrolla v tuto chvíli neexistuje způsob, jak zjistit, co se bude v různých scénářích multivesmíru formovat více  - Boltzmannovy mozky nebo "normální" mozky - protože vypočítat a porovnat pravděpodobnosti zrodu vesmírů, potřebujeme teorii kvantové gravitace , která stále není vytvořena. Kromě toho je třeba mít na paměti, že problém Boltzmannova mozku nastává, když jsou učiněny dva předpoklady:

1) existuje maximální hodnota entropie;

2) Vesmír je v rovnovážném stavu s maximální hodnotou entropie, která se už nemá kam dále zvyšovat.

Pokud tyto dva předpoklady nejsou splněny, pak v této fázi vývoje vědy neexistuje způsob, jak provádět výpočty a porovnávat pravděpodobnosti vzniku Boltzmanna a „normálního“ mozku.

Pro srovnání pravděpodobností se v současnosti používají pouze obecné kvalitativní argumenty, které však neumožňují dělat přesné závěry a vzájemně si odporují. Na jedné straně, pokud se z termodynamických nebo jiných důvodů ukáže, že hypotetický vesmír je schopen podporovat existenci vyvíjejících se systémů pouze po omezenou dobu, přičemž je postaven na nám známých kvantově mechanických principech, pak můžeme předpokládat, že hustota pravděpodobnosti vzniku Boltzmannova mozku bude vyšší[ objasnit ] než normální mozek . Na druhou stranu je třeba také připomenout, že vznik Boltzmannova mozku je statistická fluktuace spojená s přechodem z rovnovážného stavu vysoké entropie do uspořádanějšího stavu nižší entropie. Proto jsou takové události extrémně vzácné. Pokud utváření „normálního“ mozku během evoluce není takovým kolísáním, ale jde o pravidelný proces přechodu do stavu s vyšší entropií, pak je možné, že k takovým událostem dojde častěji než ke vzniku Boltzmannových mozků.

Na základě určitého vývoje v teorii kvantové gravitace navrhuje Sean Carroll hypotetický scénář multivesmíru [6] [7] , ve kterém se každý vesmír dříve nebo později dostane do stavu vysoké entropie ve formě de-Sitter vakuum, díky kvantovým fluktuacím vakua a samotného prostoru dává čas vzniknout novým vesmírům, které se od něj oddělují a začínají samostatnou existenci. V novém vesmíru je nejprve nízká entropie a dominuje falešná energie vakua, v důsledku čehož v něm dochází k inflaci , a poté, co skončí a energie falešného vakua se změní na běžnou hmotu (částice a záření), pak vše probíhá v souladu se standardním modelem velkého třesku : v něm mohou vzniknout galaxie, hvězdy, planety a život. Boltzmannovy mozky někdy vznikají v mateřském vesmíru. Vznik Boltzmannova mozku je však nepravděpodobná událost, při které dochází k poklesu entropie. Ve výše popsaném scénáři formování nově zrozeného vesmíru se počáteční stav, kterým je de Sitterův prostor s vysokou entropií, vyvine do prostoru de Sitter s vysokou entropií plus malý nový vesmír. A i když je entropie nového vesmíru malá, přesto je celková entropie stále větší než před touto událostí. Nejedná se o kolísání rovnovážné konfigurace s vysokou entropií do stavu s nízkou entropií, ale o přeměnu stavu s vysokou entropií do stavu entropie ještě vyšší. Proto je docela možné, že v tomto scénáři budou nové vesmíry vznikat častěji než Boltzmannovy mozky. A každý vesmír vhodný pro vznik života je schopen vygenerovat obrovské množství pozorovatelů. Proto je také možné, že v tomto scénáři bude počet „normálních“ pozorovatelů větší než počet Boltzmannových mozků. Jak ale podotýká Sean Carroll, současný stav vývoje kvantové gravitace neumožňuje přesné výpočty a srovnání pravděpodobností. Tento scénář pouze ukazuje, že absence Boltzmannova mozkového paradoxu je v zásadě možná. Klíčovým bodem tohoto scénáře je, že multivesmír nemá stav maximální entropie a multivesmír není v rovnovážném stavu, ale je ve stavu nekonečného nárůstu entropie.

Sean Carroll také věří, že pokud je interpretace kvantové mechaniky z mnoha světů správná, problém Boltzmannova mozku zmizí. Ve výkladu de Broglie-Bohma je paradox rovněž zakázán. V jiných výkladech je však zachován.

Navíc je třeba mít na paměti, že Boltzmannův mozkový paradox není striktní závěr, protože se opírá o neprokázaný předpoklad, že jsme typickými pozorovateli ve vesmíru (nebo multivesmíru). Ačkoli mnoho vědců věří, že tento předpoklad je užitečný, protože umožňuje statistické předpovědi, není prokázán a sám o sobě vede k řadě problémů [8] . I když většinu pozorovatelů tvoří boltzmannovské mozky, můžeme být součástí privilegované menšinové třídy „normálních“ pozorovatelů.

V kině

V " Gardians of the Galaxy Vol. Část 2 Inteligentní planeta Ego začala svou existenci jako Boltzmannův mozek. Ačkoli samotná definice nezní, to, co se stalo, je zobrazeno záměrně doslova.

V sérii Holistic Detective Agency od Dirka Gentlyho jsou příjmení hlavních postav (bratr a sestra) Brotzman (což je přímý odkaz). Tyto postavy dokázaly nedobrovolně utvářet svět kolem sebe.

V seriálu Stargate: SG-1 , epizoda 13 sezóny 7, hrdina filmu, Major Carter, spadne do mlhoviny, která vyvolává halucinace. Shluk prezentovaný v sérii lze považovat za Boltzmannův mozek.

V literatuře

V románu " Chthon " od Pierse Anthonyho je hlavním hrdinou neorganická mysl, spontánně vytvořená v útrobách planety, kde si hlavní hrdina odpykává doživotní trest.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Zde ještě musíme ukázat, že výskyt každého Boltzmannova mozku je nezávislou událostí. V opačném případě, pokud je korelace velmi vysoká, je pravděpodobnější, že se ve stejné oblasti objeví několik mozků přibližně ve stejnou dobu.
  2. ↑ Carroll, 2017 , str. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. Může si vesmír dovolit inflaci? // Physical Review, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , str. 413-414.
  5. ↑ Andrei Linde (2007). Sinks in the Landscape, Boltzmannovy mozky a kosmologický konstantní problém Archivováno 27. října 2018 na Wayback Machine . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , str. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Seane . Spontánní inflace a původ šípu  času . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , str. 302-304.

Literatura

Odkazy