Вторник, 16 апреля, 2024

16+

Большой взрыв мозга: возможен ли в реальности «больцмановский мозг»?

Время на чтение 6 мин.

Ровно 180 лет назад родился Людвиг Больцман — без преувеличения, один из величайших физиков-теоретиков в истории. Помимо других достижений, он провел мысленный эксперимент, который сейчас известен как «больцмановский мозг». Пусть во времена Больцмана Вселенная представлялась совсем не такой, какой мы знаем ее сейчас, а о квантовом мире и вовсе ничего не знали, эта идея по-прежнему побуждает ученых ставить новые вопросы и предлагать новые теории.

Термодинамика, бессердечная ты…

Разбитая на мелкие кусочки стеклянная ваза сама по себе не соберется обратно в целый предмет. Опущенный в чай рафинад никогда не станет снова кубиком. Все это запрещает второе начало термодинамики, раздела физики, изучающего передачу и превращение энергии в макроскопических системах. У этого закона есть несколько формулировок, нам же важна следующая: в любой системе энтропия (то есть мера хаоса, беспорядка) либо возрастает, либо остается неизменной. Система не может произвольно перейти к большей упорядоченности: ваза может разбиться, но не склеиться. Чтобы осуществить обратный процесс, нужно сообщить системе дополнительную энергию, то есть склеить вазу руками.

Из-за возрастающей хаотичности любой системы, в ней могут происходить флуктуации — случайные отклонения какой-либо величины, включая энтропию, от средних значений. Тогда система в какой-то своей области может стать более упорядоченной, если другие области одновременно будут становиться более хаотичными.

Вселенная, заполненная мозгами

Людвиг Больцман, исходя из тогдашних знаний об устройстве Вселенной, рассматривал наш мир как замкнутую систему в состоянии термодинамического равновесия, которая существует вечно. И в такой системе он видел парадокс: хотя энтропия должна либо сохраняться, либо возрастать, мы живем в очень упорядоченной Вселенной. В нашей части мира из хаоса появилась упорядоченная структура молекулы ДНК, которая «упорядочилась» в клетки, а клетки — в организмы, а в организмах со временем сформировался очень сложный упорядоченный мозг. Исходя из второго начала термодинамики, все это результаты флуктуаций.

Проводя мысленный эксперимент, Больцман предположил, что если в результате флуктуаций на Земле появился обладающий сознанием мозг, то за бесконечное время существования Вселенной в разных ее областях также из-за случайных «упорядочений» могли сформироваться отдельные мозги, подобные нашему. Пусть вероятность этого события ничтожно мала, в контексте бесконечного времени она все равно будет больше нуля.

Такие мозги могут жить в одиночестве на своих планетах или даже просто летать в космосе. Последний вариант показан в сериале «Звездный путь: Новое поколение», где команда сталкивается с существом по имени Нагилум, которого можно описать как больцмановский мозг, способный менять пространство вокруг себя.

Есть только путь

Если подобный мозг с сознанием возникает случайно в результате флуктуаций, то как мы можем быть уверены, что сами не являемся больцмановскими мозгами? И если так, то почему так много «сознаний» случайно возникло именно на Земле, ведь вероятность этого ничтожно мала?

Возможно, ответ на эти вопросы кроется в антропном принципе. Мы наблюдаем сложный, упорядоченный человеческий мозг потому, что только человеческий мозг может наблюдать в принципе. Вдруг во Вселенной есть и другие столь же упорядоченные области, но там их некому видеть?

Однако есть и более логичный ответ на вопрос, почему мы не больцмановские мозги. Все дело в естественном отборе: именно он двигает жизнь на Земле в сторону упорядоченности. Дело в том, что эволюция — это процесс постоянного перебора случайных изменений, который длится уже 3,5 миллиарда лет. Здесь уместно вспомнить еще один мысленный эксперимент: если ста миллионам шимпанзе дать по печатной машинке, то за бесконечное время какая-то из обезьян, хаотично шлепая по клавишам, напечатает произведение Шекспира.

Эволюция — это процесс постоянного печатания, в котором осмысленные фразы (то есть необходимые для выживания признаки) остаются, а бессмыслица — удаляется. И в результате этого перебора сформировались мы с нашим сознанием. Таким образом, естественному отбору проще создать Землю, наполненную человеческими мозгами, чем один больцмановский мозг.

Однако это лишь один из способов объяснения, почему мы не видим других больцмановских мозгов и сами не являемся подобным субъектом. На деле же мы не можем быть уверены, что каждый из нас — не обладающее сознанием нечто на просторах Вселенной, весь мир которого — фантазия, порожденная случайным изменением пространства-времени. Впрочем, это уже проблема не научная, ведь не существует реального эксперимента, в котором можно было бы эмпирически доказать, что каждый из нас не является больцмановским мозгом, переживающим галлюцинацию в виде кажущейся реальности.

Больцман — парадоксов друг

Больцман предполагал, что вся наблюдаемая Вселенная — как раз результат флуктуаций. Но его гипотеза предполагает, что чем ниже энтропия, тем реже происходят подобные флуктуации. Это приводит к парадоксу: вероятность возникновения Вселенной ниже, чем вероятность возникновения Земли, а последняя ниже, чем вероятность возникновения больцмановского мозга. Таким образом, Вселенная должна была бы кишеть разумными существами, а не планетами и звездами. Этот парадокс позволяет сказать, что гипотеза больцмановского мозга опровергается наблюдениями.

Сегодня мы знаем, что Вселенная не существовала всегда (но не знаем, будет ли она существовать бесконечно, а также не знаем, какая сила заставила вещество внезапно резко расширяться и нагреваться). Кроме того, во времена Больцмана еще не существовало квантовой физики, так что современные знания говорят нам, что возникновение больцмановского мозга из-за флуктуаций в сторону снижения энтропии, по-видимому, невозможно.

Однако по современным представлениям Вселенная расширяется ускоренно и, по одному из сценариев, будет расширяться вечно. Со временем все звезды исчерпают запасы водорода для реакций, черные дыры испарятся, и Вселенная будет представлять собой де-ситтеровское пространство: пустое пространство с положительной энергией вакуума температурой около 10–29 кельвинов. В этом состоянии постоянно будут происходить флуктуации, которые могут привести к появлению больцмановского мозга.

Другие возможности для больцмановских мозгов предоставляют такие теории, как квантовая пена, квантовая нуклеация, мультивселенная… Иными словами, мысленный эксперимент, поставленный больше полутора веков назад, по-прежнему побуждает физиков-теоретиков и космологов выдвигать новые теории, а также нащупывать грань, где начинается наука, ставящая такие вопросы, на которые у нас пока нет ответов.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь