Кратко и без лишних усложнений расскажу о так называемой "проблеме Больцмановского мозга". В 19 и в начале 20 века превалировала парадигма, согласно которой Вселенная существовала и будет существовать вечно. Тогда же уже знали о началах термодинамики и об энтропии, и эти знания приводили к интересным следствиям – оказывается, что Вселенная не могла существовать вечно, иначе в ней не появились бы люди, планеты, звезды и т.д. Почему? Давайте проведем простой мысленный эксперимент, который позволит интуитивно понимать в чем дело. Представим себе стол для бильярда и пока еще не разбитые шары. Обозначим, что в таком состоянии некая «энтропия», обозначаемая буквой S, равна некоторому неизвестному значению х. Не важно, что это за значение. Допустим, что трение шаров о поверхность стола нулевое, а столкновения шаров - абсолютно упругие, короче, что энергия в этой системе сохраняется и никуда не рассеивается. А теперь разбиваем шары. Интуитивно понятно, что при таких условиях по истечению некоторого времени все шары начнут двигаться примерно с одинаковой скоростью, если быть точным – кинетическая энергия шаров будет колебаться вокруг некоторого среднего значения и очень редко будет как-то сильно отклоняться от этого среднего значения.
Это происходит из-за закона сохранения импульса – один шар передает энергию остальным шарам, сталкиваясь таким образом много раз, они в результате выравнивают свои скорости. В такой системе S, то есть энтропия – максимальна, больше быть не может. Давайте представим, что шары - это молекулы идеального газа, заключенные в некотором объеме, то есть находятся в закрытой системе и энергия оттуда никуда не девается, а сохраняется.
Если все молекулы достигают одинаковой скорости (точнее температура этой изолированной системы почти стабильна, колеблется вокруг некоторого среднего значения), то такая система находится в термодинамическом равновесии. Именно в термодинамическом равновесии энтропия максимальна (в изолированных системах, т.е. в нашем случае). Я специально не буду детально рассказывать об энтропии, в рамках этой статьи я вас только запутаю, понятнее не станет. Скажу упрощенно: энтропия - это мера близости состояния системы к термодинамическому равновесию. На самом деле, понятие энтропии более широкое, но в рамках этого видео нам достаточно знать, что при термодинамическом равновесии в изолированных системах, энтропия - максимальна.
У ученых есть множество оснований полагать, что время движется в сторону максимальной энтропии, в сторону термодинамического равновесия. Обычно это называют более общим и понятным словом - будущее. А вообще, вопрос “куда движется время” это одна из нерешенных проблем физики, но не будем углубляться в эту тему.
Допустим, что время движется именно в сторону максимальной энтропии. Что это значит для нашей Вселенной? Опять же, многое указывает на то, что в будущем наступит состояние с максимальной энтропией, термодинамическое равновесие, когда все частицы барионной материи будут двигаться почти с одинаковой скоростью. А Вселенная мало того, что и так огромная, так еще и расширяется, в общем скорость этих самых частиц будет практически нулевая, будет колебаться возле абсолютного нуля. Такое состояние еще называют «Тепловой смертью Вселенной». Существуют аргументы против того, что это произойдет, но опять же, не буду начинать все перечислять.
Итак, в чем же проблема с энтропией и вечной Вселенной. Если бы Вселенная была вечной, то мы бы не наблюдали таких объектов как, например, звезды, туманности и тем более жизнь, ведь все температуры уравнялись бы, было бы состояние термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии.
Так вот, в конце 19 века стоял вопрос. Если Вселенная вечна, то почему она не находится в состоянии с максимальной энтропией, почему не все имеет одинаковую температуру, ведь неизбежно температуры должны были уравняться за бесконечный промежуток времени, что следовало из законов термодинамики.
Получается такой вот парадокс. Подумайте, как бы вы его разрешили.
Некий физик, Людвиг Больцман, предложил аж два решения и надо отдать ему должное – додуматься до такого в те времена (19 век) было необычайно умно.
Что же он предложил? Одно из решений заключалось в том, что Вселенная начала свое существование с состояния с низкой энтропией. Другими словами, она была очень горячей в недалеком прошлом и понемногу постепенно охлаждается.
Сейчас мы знаем, что именно так и было – Вселенная начала свое существования с очень низкой энтропией относительно недавно по сравнению с вечностью – примерно 13.8 миллиардов лет назад (это один из нетривиальных способов доказать Большой Взрыв). У нас даже есть фотографии той горячей эпохи.
Вот, например, фотография Вселенной примерно 400 тысяч лет после Большого Взрыва, когда она имела температуру около 3000 кельвинов (2726 °C). Казалось бы, что тогда наоборот термодинамическое равновесие было больше и соответственно энтропия больше, чем сейчас, но это не так. Второе объяснение Больцмана более необычное. Он предположил, что да, Вселенная существовала вечно и в ней вечно было термодинамическое равновесие, максимальная энтропия, в общем практически везде одинаковая, холодная Вселенная. Но Больцман пошел дальше и высказал гипотезу, что атомы, наполняющие эту Вселенную, в ходе хаотических флуктуаций случайно собрались таким невероятным образом, что в итоге в одной части Вселенной случайно появилось все то, что мы наблюдаем: планеты, звезды, туманности и так далее.
Казалось бы, что это полнейший бред, такого произойти не может. Но на самом деле нет. В вечной Вселенной такое событие произойдет бесконечное количество раз – из хаоса появятся структуры любой сложности, но чем более сложная структура, тем меньшая вероятность ее случайного появления. Просто бесконечность, да и вообще очень большие или очень маленькие числа для нас неинтуитивны.
Существует очень известная «теорема о бесконечных обезьянах», которая утверждает, что абстрактная обезьяна, ударяя случайным образом по клавишам пишущей машинки в течение неограниченно долгого времени, рано или поздно напечатает любой наперёд заданный текст.
Теорема о бесконечных обезьянах (Википедия)
В общем, если событие имеет сколь угодно малую вероятность, то за бесконечное количество времени это событие произойдет с вероятностью 100%. Приведу еще примеры. Если на бильярдном столе шары будут двигаться вечно, то за бесконечное количество времени они случайно хотя бы на момент создадут любой возможный узор из шаров, хотя понятно, что такие события маловероятны, большинство времени они будут просто хаотически двигаться.
Представим, что мы заключили газ в какой-то коробке, можете представить, что ваша комната и воздух в ней являются такой коробкой с газом и что эта система (система из газа в коробке), является изолированной – то есть не может обмениваться энергией с внешним миром.
Газ в коробке будет стремиться к максимальной энтропии, к термодинамическому равновесию, что выглядит как хаотическое равномерное движение всех частиц, но существует шанс, мизерный, что газ случайно соберется на одной стороне коробки. Энтропия такой системы уменьшится, но ненадолго, газ опять быстро достигнет термодинамического равновесия.
За бесконечное количество времени произойдет бесконечное количество таких событий – газ соберется в одной стороне коробки бесконечное количество раз. Вообще, любая конфигурация, не нарушающая закон сохранения импульса и энергии произойдет в этой коробке, газ соберется в одну точку, сформирует различные фигуры, даже случайно напишет слово "энтропия" и случайно создаст микромодель, например, Солнечной Системы.
За бесконечное количество времени это все произойдет бесконечное количество раз. Больцман примерно так же рассматривал вечную Вселенную - как коробку с хаотическим газом. То, что в ней могли появиться такие структуры, как галактики, звезды, планеты и жизнь – это неизбежность за бесконечное количество времени, за вечность. Более того, в такой вечной Вселенной неизбежно произошел бы Большой Взрыв бесконечное количество раз – за вечность все частицы собрались бы в одной точке бесконечное количество раз.
Парадокс действительно можно было решить этим объяснением, но позже физики пришли к следующим выводам: вероятность появления видимой Вселенной в результате случайных тепловых флуктуаций чрезвычайно мала, речь идет о вероятностях порядка 1 до Числа Грэма. Чем менее сложная структура и с чем меньшего количества частиц она состоит, тем большая вероятность появления такой структуры в вечной Вселенной. Звезда в результате хаотического движения частиц появится с большей вероятностью, чем галактика. Планета появится с большей вероятностью, чем звезда.
Человек появится с большей вероятностью, чем планета. Мозг, осознающий себя появится с большей вероятностью, чем человек. Согласно такой логике, с большей вероятностью ты, осознающий себя, на самом деле являешься просто случайно собравшимся мозгом из частиц во Вселенной с термодинамическим равновесием, причем все твои воспоминания — это иллюзия, они тоже появились случайно. Все, что ты видишь, знаешь и наблюдаешь – тоже иллюзия, на самом деле ты лишь мозг случайно появившийся посреди хаоса.
Конечно же слово «мозг» тут употребляется для того, чтобы возникали ассоциации с сознанием, но в принципе любой случайно создавшийся объект в ходе флуктуаций при этом осознающий себя можно назвать Больцмановским мозгом. Но здравый смысл подсказывает нам, что это ни разу не так и что мы - обычные люди, с вполне реальными воспоминаниями, находящиеся в вполне реальной Вселенной. Да, действительно, здравый смысл подсказывает нам это, но если сделать некоторые допущения, то математически с намного большей вероятностью ты, осознающий себя – являешься лишь Больцмановским мозгом.
Сейчас в научных кругах проблему Больцмановских мозгов часто называют, в переводе на русский, «ложный наблюдатель» (freak observer), обычно это касается работ посвященных Мультивселенной. Если существует бесконечное число Вселенных, ну или очень большое число Вселенных с различными физическими законами, то математически большая вероятность, что во всем мультуме Вселенных больше мозгов Больцмана, а не обычных живых существ, и осознающий себя ты, опять же, с большей вероятностью это Больцмановский мозг, а не тот, кем себя представляешь.
Так в конце концов, все-таки я – Больцмановский мозг и все мои воспоминания поддельны, или нет?
Вот что я вам скажу. Этот вопрос не является принципиально опровержимым, нельзя поставить эксперимент, который опровергнет это утверждение. А принципиальная опровергаемость и постановка экспериментов – это критерии научности, в общем это не научная проблема, в это можно верить, или не верить, эмпирически проверить это нельзя. Таких принципиально не опровергаемых идей существует масса. Например, гипотеза симуляции, тут тоже, если появление жизни во Вселенной возможно, то скорей всего, более вероятно математически, мы - не первая жизнь, а симуляция, созданная более развитыми интеллигентными существами, а может даже симуляция в симуляции.
Это нельзя проверить, это не наука, в это можно верить, либо не верить, а это уже решать вам. Добавлю еще, что некоторые ученые называют проблему Больцмановского мозга глупостями, а некоторые постоянно придумывают способы как-то ее опровергнуть и привести аргументы против, да и вообще проблема Больцмановского мозга возникает только при некоторых допущениях. Не вижу смысла более глубоко раскрывать эту тему, все основное я рассказала. Моей целью было предоставить пищу для размышлений. Приятного аппетита =)
