Vad är Boltzmann-hjärnhypotesen?

Boltzmann-hjärnor är en teoretisk förutsägelse av Boltzmanns förklaring om tidens termodynamiska pil. Även om Ludwig Boltzmann själv aldrig diskuterade detta koncept, kom de till när kosmologer använde hans idéer om slumpmässiga fluktuationer för att förstå universum som helhet.

Ludwig Boltzmann var en av grundarna av fältet termodynamik under 1800-talet. Ett av de viktigaste begreppen var termodynamikens andra lag, som säger att entropi av en stängt system ökar alltid. Eftersom universum är ett slutet system kan vi förvänta oss att entropin kommer att öka med tiden. Detta betyder att med tanke på tillräckligt med tid är universums mest troliga tillstånd ett där allt är i termodynamisk jämvikt, men vi tydligt finns inte i ett universum av den här typen eftersom det trots allt finns ordning runt omkring oss i olika former, inte minst är det faktum att vi existera.

Med detta i åtanke kan vi tillämpa den antropiska principen för att informera vårt resonemang genom att ta hänsyn till att vi faktiskt existerar. Här blir logiken lite förvirrande, så vi kommer att låna orden från ett par mer detaljerade tittar på situationen. Som beskrivits av kosmologen Sean Carroll i "From Eternity to Here:"

Boltzmann åberopade den antropiska principen (även om han inte kallade det så) för att förklara varför vi inte skulle befinna oss i en av de mycket vanliga jämviktsfaserna: I jämvikt kan livet inte existera. Det vi helt klart vill göra är att hitta de vanligaste förhållandena inom ett sådant universum som är gästvänliga i livet. Eller, om vi vill vara mer försiktiga, kanske vi bör leta efter förhållanden som inte bara är gästvänliga för livet, men gästvänligt till den specifika typen av intelligent och självmedveten liv som vi gillar att tro att vi är är ...

Vi kan ta denna logik till dess slutliga slutsats. Om det vi vill ha är en enda planet behöver vi verkligen inte hundra miljarder galaxer med hundra miljarder stjärnor vardera. Och om det vi vill ha är en enda person behöver vi verkligen inte en hel planet. Men om det faktiskt vad vi vill ha är en enda intelligens, som kan tänka på världen, behöver vi inte ens en hel person - vi behöver bara hans eller hennes hjärna.

Så reductio ad absurdum av detta scenario är att den överväldigande majoriteten av intelligenser i denna mångfald kommer att vara ensam, disembodierade hjärnor, som gradvis fluktuerar ur det omgivande kaoset och sedan gradvis löser sig tillbaka Gillar det. Sådana sorgliga varelser har kallats "Boltzmann-hjärnor" av Andreas Albrecht och Lorenzo Sorbo ...

I ett papper från 2004 diskuterade Albrecht och Sorbo "Boltzmann-hjärnor" i sin uppsats:

För ett sekel sedan betraktade Boltzmann en ”kosmologi” där det observerade universum bör betraktas som en sällsynt fluktuation ur ett jämviktstillstånd. Förutsägelsen av denna synvinkel, helt generellt, är att vi lever i ett universum som maximerar systemets totala entropi i överensstämmelse med befintliga observationer. Andra universum förekommer helt enkelt som mycket mer sällsynta fluktuationer. Detta innebär att så mycket som möjligt av systemet bör finnas i jämvikt så ofta som möjligt.

Ur denna synvinkel är det mycket förvånande att vi hittar universum omkring oss i ett så lågt entropitillstånd. I själva verket är den logiska slutsatsen av denna resonemang helt solipsistisk. Den mest troliga variationen i överensstämmelse med allt du vet är helt enkelt din hjärna (komplett med "minnen" från Hubble Deep fi elds, WMAP-data, etc) som flyter svagt ut ur kaos och sedan omedelbart utjämnas tillbaka till kaos igen. Detta kallas ibland "Boltzmann's Brain" -paradox.

Poängen med dessa beskrivningar är inte att antyda att Boltzmann-hjärnor faktiskt finns. Typ av som Schroedingers katt tankeexperiment, poängen med denna typ av tankeexperiment är att sträcka saker till sitt mest extrem slutsats, som ett sätt att visa de potentiella begränsningarna och bristerna på detta sätt tänkande. Den teoretiska existensen av Boltzmann-hjärnor tillåter dig att använda dem retoriskt som ett exempel på något absurt att manifestera av termodynamiska fluktuationer, som när Carroll säger "Det kommer att finnas slumpmässiga fluktuationer i den termiska strålningen som leder till alla möjliga osannolika händelser - inklusive den spontana generationen av galaxer, planeter och Boltzmann-hjärnor."

Nu när du förstår Boltzmann-hjärnor som ett begrepp måste du dock gå lite för att förstå "Boltzmann-hjärnparadoxen" som orsakas av att tillämpa detta tänkande i denna absurde grad. Återigen, enligt formulering av Carroll:

Varför befinner vi oss i ett universum som gradvis utvecklas från ett tillstånd av otroligt låg entropi, snarare än att vara isolerade varelser som nyligen fluktuerade från det omgivande kaoset?

Tyvärr finns det ingen tydlig förklaring för att lösa detta... alltså varför det fortfarande klassificeras som en paradox. Carrolls bok fokuserar på att försöka lösa de frågor den ger upphov till entropi i universum och tidens kosmologiska pil.

Underhållande gjorde Boltzmann Brains det till populärkultur på ett par olika sätt. De dök upp som ett snabbt skämt i en Dilbert-komiker och som den främmande inkräktaren i en kopia av "The Incredible Hercules."