Boltzmann agy

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 4-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 8 szerkesztést igényelnek .

A Boltzmann-agy ( eng.  Boltzmann-agy ) egy hipotetikus tárgy, amely bármely rendszer ingadozása következtében keletkezik, és képes felismerni létezését . Néhány gondolatkísérlet figyelembe veszi az ilyen tárgyak megjelenésének lehetőségét . Nevét Ludwig Boltzmannról kapta , aki jelentős mértékben hozzájárult a statisztikai fizika fejlődéséhez .

Történelem

Már a római filozófus , Titus Lucretius Car is úgy gondolta, hogy a világ örökké létezik, és csak ürességből és atomokból áll , amelyek örökké az ürességben mozogva és egymással ütközve különféle időbeli konfigurációkat alkotnak, amelyek közül az egyik az Univerzum része. megfigyelni. A 19. században Ludwig Boltzmann is hasonló nézeteket vallott, és úgy vélte, hogy az univerzum az időben mind a múlt, mind a jövő irányában örökké létezik, és atomokból álló homogén gáz, termodinamikai egyensúlyi állapotban maximális entrópiával . Egy ilyen gáz különböző régióiban időről időre rövid távú ingadozások léphetnek fel, amelyek rövid időre csökkentik az entrópiát a tér adott régiójában. Boltzmann azt javasolta, hogy az általunk megfigyelt Univerzum térfogata, amely csillagokból, bolygókból és élőlényekből álló szervezett szerkezetet foglal magában, éppen ilyen ingadozás. Valójában, ha egy ilyen világ örökké létezik, akkor előbb-utóbb a legvalószínűtlenebb ingadozások is bekövetkeznek, beleértve azokat is, amelyek az általunk megfigyelt Univerzumhoz hasonló régiókat alkotnak. A kérdés további tanulmányozása során azonban kiderült, hogy ezt a forgatókönyvet a megfigyelések nem erősítik meg. Egy ilyen viszonylag egyszerű esetre (termodinamikai egyensúlyi állapotú rendszerre) ki lehet számítani a különböző fluktuációk valószínűségi sűrűségét. És kiderül, hogy minél erősebb az entrópia csökkenése a fluktuációk során, annál ritkábban fordulnak elő ilyen ingadozások. Egyetlen naprendszer kialakulása ingadozások során valószínűbb, mint az egész univerzum kialakulása. Egyetlen emberi megfigyelő kialakulása pedig valószínűbb, mint az egész naprendszer kialakulása. És még valószínűbb, hogy csak egy agy keletkezik, mint egy egész ember. Ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy ebben az esetben nagyobb valószínűséggel találjuk magunkat egyedül [1] és egy homogén, maximális entrópiával rendelkező kaotikus gázzal körülvéve, mint egy egész rendezett univerzumot körülöttünk. Ez vezette a tudósokat arra a következtetésre, hogy Boltzmann forgatókönyvét a megfigyelések cáfolják. [2]

Az ilyen, ingadozások eredményeként létrejött és nagy entrópiájú egyensúlyi állapotban lévő homogén kaotikus gázzal körülvett, egyedi agy formájában lévő entitásokat "Boltzmann-agyoknak" nevezték. Ezt a kifejezést Andreas Albrecht és Lorenzo Sorbo vezette be [3] .

Itt azt is figyelembe kell venni, hogy ha az Univerzum fizikai törvényei megengedik, hogy az evolúció eredményeként nagy mennyiségű gázból élet keletkezzen (mint a Naprendszerben), akkor kiderülhet, hogy nagyobb legyen, mint egy különálló Boltzmann-agy megjelenésének valószínűsége. Ez azzal magyarázható, hogy teljesen mindegy, hogy a gázmolekulák pontosan hogyan helyezkedtek el kezdetben, csak a molekulák száma számít. És ha az élet megjelenésének valószínűsége az univerzumban valóban nagy, akkor nagyszámú atom (különösen az ősrobbanás) és molekula megjelenésének valószínűsége, majd az élet eredete kiderülhet nagyobb, mint egy viszonylag kis számú molekula megjelenése, de olyan rendezett, hogy a Boltzmann-agy. Matematikailag ez a probléma a következőképpen fogalmazható meg: legyen  - annak a valószínűsége (csaknem nulla ideig kellően nagy térben), hogy nagyszámú elemi részecske jelenjen meg megközelítőleg egy helyen és szinte egyidejűleg, és  - annak a valószínűsége, hogy ebből a részecskehalmazból galaxisok, csillagok és bolygók keletkeznek, és élet születik valamelyik bolygón. Legyen  legalább egy Boltzmann-agy megjelenésének valószínűsége (evolúció nélkül) az Ősrobbanástól az első tudatosan gondolkodó ember megjelenéséig tartó időintervallumhoz hasonló idő alatt, és ugyanennyi térben. Ekkor felmerül a kérdés: tényleg kevesebbnek kell lennie ?

A Boltzmann-agy problémája a modern kozmológiában

A modern kozmológiai nézetek szerint Univerzumunk pozitív vákuumenergia -sűrűséggel rendelkezik, aminek következtében nem lassan, hanem gyorsan tágul , és örökké tovább fog tágulni. Előbb-utóbb a csillagok kimerítik a hidrogén- és más kémiai elemek tartalékaikat, amelyek képesek a nukleáris reakciókat lefolytatni a belsejében, és kialszanak. Némelyikük fekete lyukakká változik , amelyek később a Hawking-sugárzás hatására elpárolognak . Végül, az Univerzum örök tágulása során minden típusú közönséges anyag sűrűsége (a vákuum kivételével) annyira lecsökken, hogy az Univerzum gyakorlatilag csak pozitív vákuumenergiájú üres tér lesz, amelyet de Sitter térnek vagy de Sitter vákuumnak neveznek . Az ilyen vákuumnak alacsony a hőmérséklete , aminek következtében folyamatosan ingadozások lépnek fel benne, ami Boltzmann-agyak kialakulásához is vezethet [4] . Ez azt jelenti, hogy bár Boltzmann eredeti forgatókönyve hibás, a Boltzmann-féle agyi paradoxon még mindig igaz lehet a való világban. Az Univerzum létezésének időszaka, amikor élet létezhet benne "normális" megfigyelők formájában, véges; a de Sitter vákuum állapotában az Univerzum örökre megmarad. Akkor miért találjuk magunkat "normális" megfigyelőknek, akik az evolúcióból emelkednek ki, és nem Boltzmann-agyakként egy de Sitter-vákuumban?

Bár a de Sitter vákuumban Boltzmann agy is megjelenhet, ennek az eseménynek a valószínűsége nagyon kicsi. Andrey Linde [5] munkája szerint egy ilyen esemény körülbelül 10 10 50 évente egyszer fordulhat elő . De ha az Univerzum létezési ideje végtelen, akkor az ilyen események száma is végtelenül nagy lesz. Egy végtelen univerzumban a Boltzmann-féle agyak és a „normál” agyak (az evolúció termékei) száma egyenlő lesz a végtelennel. A további következtetések a Boltzmann-féle agyak (ingadozások eredményeként) és a „normál” agyak (az evolúció során keletkező) kialakulásának valószínűségi sűrűségének pontos számításától függenek. Ha a Boltzmann-agy kialakulásának valószínűségi sűrűsége nagyobb, akkor egy paradoxon következik (a modern kozmológiában „Boltzmann-agy paradoxon / probléma”): sokkal valószínűbb, hogy az univerzumban egy véletlenszerűen kiválasztott objektum, amelynek van elméje, lesz az eredmény. az ingadozások, mint az evolúció terméke . Ha a „normál” agy kialakulásának valószínűségi sűrűsége nagyobbnak bizonyul, akkor nagy valószínűséggel az evolúció termékével találkozik, és nem a Boltzmann-agyé.

Sean Carroll elméleti fizikus és kozmológus szerint jelenleg nincs mód arra, hogy kiderítsük, mi fog inkább kialakulni a multiverzum különböző forgatókönyveiben  - Boltzmann agy vagy "normál" agy -, mert kiszámítani és összehasonlítani a születési valószínűségeket. univerzumok, szükségünk van a kvantumgravitáció elméletére , amely még mindig nem épült fel. Ezenkívül nem szabad megfeledkezni arról, hogy a Boltzmann-agy problémája két feltevés esetén merül fel:

1) van az entrópia maximális értéke;

2) Az Univerzum egyensúlyi állapotban van az entrópia maximális értékével, aminek nincs hova tovább növekednie.

Ha ez a két feltevés nem teljesül, akkor a tudomány fejlődésének ebben a szakaszában nincs mód a számítások elvégzésére és a Boltzmann és a "normál" agy kialakulásának valószínűségének összehasonlítására.

A valószínűségek összehasonlítására jelenleg csak általános kvalitatív érveket használnak, amelyek azonban nem teszik lehetővé a pontos következtetések levonását, és ellentmondanak egymásnak. Egyrészt, ha egy hipotetikus univerzum termodinamikai vagy egyéb okokból kiderül, hogy csak korlátozott ideig képes fenntartani a fejlődő rendszerek létezését, miközben az általunk ismert kvantummechanikai elvekre épül, akkor Tegyük fel, hogy a Boltzmann-agy kialakulásának valószínűségi sűrűsége nagyobb lesz[ tisztázza ] , mint egy normál agy . Másrészt emlékeznünk kell arra is, hogy a Boltzmann-agy kialakulása statisztikai ingadozás, amely a nagy entrópiájú egyensúlyi állapotból egy alacsonyabb entrópiájú, rendezettebb állapotba való átmenethez kapcsolódik. Ezért az ilyen események rendkívül ritkák. Ha a „normális” agy kialakulása az evolúció során nem egy ilyen ingadozás, hanem a magasabb entrópiájú állapotba való átmenet szabályos folyamata, akkor lehetséges, hogy az ilyen események gyakrabban fordulnak elő, mint a Boltzmann-agyak kialakulása.

A kvantumgravitáció elméletének néhány fejleményére alapozva Sean Carroll egy hipotetikus forgatókönyvet javasol a multiverzumról [6] [7] , amelyben minden univerzum előbb-utóbb de-Sitter formájában magas entrópiájú állapotba kerül. vákuum, a vákuum és magának a térnek a kvantumingadozása miatt az idő új univerzumokat hoz létre, amelyek elválik tőle és önálló létezést kezdenek. Az új univerzumban eleinte alacsony az entrópia és a hamis vákuumenergia dominál, aminek következtében felfúvódás lép fel benne , majd ennek vége után a hamis vákuumenergia közönséges anyaggá (részecskévé és sugárzássá) alakul át, majd minden. a szabványos Big Bang modellnek megfelelően történik : galaxisok, csillagok, bolygók és élet keletkezhetnek benne. A Boltzmann-agyak néha a szülői univerzumban keletkeznek. A Boltzmann-agy kialakulása azonban valószínűtlen esemény, amelyben az entrópia csökkenése következik be. Az újszülött univerzum fentebb leírt forgatókönyvében a kezdeti állapot, amely egy nagy entrópiájú de Sitter tér, egy nagy entrópiájú de Sitter térré és egy kis új univerzummá fejlődik. És bár az új univerzum entrópiája kicsi, ennek ellenére a teljes entrópia még mindig nagyobb, mint az esemény előtt. Ez nem egy egyensúlyi, nagy entrópiájú konfiguráció ingadozása alacsony entrópiájú állapotba, hanem egy nagy entrópiájú állapot átalakulása még magasabb entrópiájú állapotba. Ezért nagyon valószínű, hogy ebben a forgatókönyvben gyakrabban jönnek létre új univerzumok, mint a Boltzmann-agyak. És minden univerzum, amely alkalmas az élet kialakulására, hatalmas számú megfigyelőt képes generálni. Ezért az is lehetséges, hogy ebben a forgatókönyvben a "normális" megfigyelők száma nagyobb lesz, mint a Boltzmann-agyak száma. Amint azonban Sean Carroll megjegyzi, a kvantumgravitáció jelenlegi fejlettségi állapota nem teszi lehetővé a pontos számításokat és a valószínűségek összehasonlítását. Ez a forgatókönyv csak azt bizonyítja, hogy a Boltzmann-agyi paradoxon hiánya elvileg lehetséges. Ennek a forgatókönyvnek az a lényege, hogy a multiverzumnak nincs maximális entrópiája, és a multiverzum nem egyensúlyi állapotban van, hanem az entrópia végtelen növekedésének állapotában van.

Sean Carroll azt is hiszi, hogy ha a kvantummechanika sokvilágra kiterjedő értelmezése helyes, akkor a Boltzmann-agy problémája eltűnik. De Broglie-Bohm értelmezésében a paradoxon is tiltott. Más értelmezésekben azonban megmarad.

Ezenkívül szem előtt kell tartani, hogy a Boltzmann-féle agyi paradoxon nem szigorú következtetés, mivel azon a nem bizonyított feltételezésen alapul, hogy tipikus megfigyelők vagyunk az univerzumban (vagy multiverzumban). Bár sok tudós úgy véli, hogy ez a feltételezés hasznos, mivel lehetővé teszi a statisztikai előrejelzéseket, nem bizonyított, és önmagában számos problémához vezet [8] . Még ha a megfigyelők többsége Boltzmann-agy, akkor is a "normális" megfigyelők egy kiváltságos kisebbségi osztályához tartozhatunk.

A moziban

A galaxis őrzői című kötetben. 2. rész Az Ego intelligens bolygó Boltzmann agyként kezdte létezését. Bár maga a meghatározás nem hangzik, a történteket szándékosan szó szerint mutatják be.

Dirk Gently Holistic Detective Agency sorozatában a főszereplők (testvér és nővér) vezetékneve Brotzman (ami közvetlen utalás) . Ezek a karakterek önkéntelenül is képesek voltak formálni az őket körülvevő világot.

A Stargate: SG-1 című sorozatban , a 7. évad 13. epizódjában a film hőse, Major Carter beleesik egy hallucinációkat kiváltó ködbe. A sorozatban bemutatott klaszter Boltzmann agynak tekinthető.

Az irodalomban

Piers Anthony " Chthon " című regényében a főszereplő egy szervetlen elme, amely spontán módon alakult ki a bolygó belsejében, ahol a főszereplő életfogytiglani börtönbüntetést tölt ki.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Itt még meg kell mutatnunk, hogy minden Boltzmann-agy megjelenése független esemény. Ellenkező esetben, ha a korreláció nagyon magas, akkor valószínűbb, hogy több agy jelenik meg ugyanazon a területen körülbelül egy időben.
  2. ↑ Carroll, 2017 , p. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. Megengedheti-e magának az Univerzum az inflációt? // Fizikai Szemle, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , p. 413-414.
  5. ↑ Andrei Linde (2007). Süllyed a tájban, Boltzmann agyak és a kozmológiai állandó probléma Archivált 2018. október 27-én a Wayback Machine -nál . // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , p. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Sean . A spontán infláció és az  idő nyila eredete . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , p. 302-304.

Irodalom

Linkek