Cerebro de boltzmann

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El cerebro de Boltzmann ( ing.  Boltzmann brain ) es un objeto hipotético que surge como resultado de fluctuaciones en cualquier sistema y es capaz de darse cuenta de su existencia . La posibilidad de la aparición de tales objetos se considera en algunos experimentos mentales . Nombrado en honor a Ludwig Boltzmann , quien hizo una importante contribución al desarrollo de la física estadística .

Historia

Incluso el filósofo romano Titus Lucretius Car consideró la idea de que el mundo existe para siempre y se compone únicamente de vacío y átomos , los cuales, moviéndose eternamente en el vacío y chocando entre sí, forman varias configuraciones temporales, una de las cuales es la parte del Universo que conocemos. observar. En el siglo XIX, Ludwig Boltzmann sostuvo puntos de vista similares, creyendo que el universo existe para siempre en el tiempo tanto en la dirección del pasado como del futuro, y es un gas homogéneo de átomos en un estado de equilibrio termodinámico con máxima entropía . En diferentes regiones de dicho gas, pueden ocurrir fluctuaciones a corto plazo de vez en cuando, lo que reduce brevemente la entropía en una región dada del espacio. Boltzmann sugirió que el volumen del Universo que observamos, que incluye una estructura organizada que consta de estrellas, planetas y seres vivos, es solo una fluctuación de este tipo. De hecho, si tal mundo existe para siempre, incluso las fluctuaciones más improbables ocurren tarde o temprano, incluidas aquellas que forman regiones similares al Universo que observamos. Sin embargo, tras un estudio más profundo de este problema, resultó que este escenario no está confirmado por las observaciones. Para un caso relativamente simple (un sistema en un estado de equilibrio termodinámico), es posible calcular la densidad de probabilidad de varias fluctuaciones. Y resulta que cuanto más fuerte es la disminución de la entropía durante las fluctuaciones, con menos frecuencia ocurren tales fluctuaciones. La formación de un solo sistema solar durante las fluctuaciones es más probable que la formación de todo el universo. Y la formación de un observador humano es más probable que la formación de todo el sistema solar. E incluso más probable la formación de un solo cerebro que de una persona completa. Por tanto, se concluyó que en este caso sería más probable que nos encontráramos solos [1] y rodeados de un gas caótico homogéneo y de máxima entropía que observar todo un Universo ordenado a nuestro alrededor. Esto llevó a los científicos a concluir que el escenario de Boltzmann es refutado por las observaciones. [2]

Tales entidades en forma de cerebros únicos que surgieron como resultado de fluctuaciones y rodeados por un gas caótico homogéneo en un estado de equilibrio con alta entropía se denominaron "cerebros de Boltzmann". Este término fue introducido por Andreas Albrecht y Lorenzo Sorbo [3] .

También debe tenerse en cuenta aquí que si las leyes físicas del Universo permiten una probabilidad positiva de aparición de vida a partir de una gran cantidad de gas como resultado de la evolución (como en el sistema solar), entonces puede resultar ser mayor que la probabilidad de aparición de un cerebro de Boltzmann separado. Esto se explica por el hecho de que realmente no importa cómo se ubicaron exactamente las moléculas de gas al principio, solo importa el número de moléculas. Y si la probabilidad de aparición de vida en nuestro Universo es realmente alta, entonces la probabilidad de aparición de una gran cantidad de átomos (en particular, el Big Bang) y moléculas, y luego el origen de la vida puede resultar ser mayor que la apariencia de un número relativamente pequeño de moléculas, pero tan ordenado como el cerebro de Boltzmann. Matemáticamente, este problema se puede formular de la siguiente manera: sea  - la probabilidad (durante un período de tiempo casi nulo en un volumen de espacio suficientemente grande) de la aparición de un gran número de partículas elementales aproximadamente en un lugar y casi simultáneamente, y  - la probabilidad de que a partir de este conjunto de partículas se formen galaxias, estrellas y planetas y nazca vida en uno de los planetas. Sea  la probabilidad de aparición de al menos un cerebro boltzmanniano (sin evolución) en un tiempo comparable al intervalo que va desde el Big Bang hasta la aparición de la primera persona conscientemente pensante, y en la misma cantidad de espacio. Entonces surge la pregunta: ¿realmente tiene que ser menos ?

El problema del cerebro de Boltzmann en la cosmología moderna

De acuerdo con los puntos de vista cosmológicos modernos, nuestro Universo tiene una densidad de energía de vacío positiva , como resultado de lo cual se está expandiendo rápidamente , no lentamente, y continuará expandiéndose para siempre. Tarde o temprano , las estrellas agotarán sus reservas de hidrógeno y otros elementos químicos capaces de soportar reacciones nucleares en su interior, y se apagarán. Algunos de ellos se convertirán en agujeros negros , que posteriormente se evaporarán debido a la radiación de Hawking . Eventualmente, durante la expansión eterna del Universo, la densidad de todos los tipos de materia ordinaria (excepto el vacío) caerá tanto que el Universo será prácticamente solo un espacio vacío con energía de vacío positiva, llamado espacio de Sitter o vacío de Sitter . Tal vacío tiene una temperatura baja , como resultado de lo cual se producen fluctuaciones constantes en él, lo que también puede conducir a la formación de cerebros de Boltzmann [4] . Esto significa que aunque el escenario original de Boltzmann es incorrecto, la paradoja del cerebro de Boltzmann aún puede ser cierta en el mundo real. El período de existencia del Universo, cuando la vida puede existir en él en forma de observadores "normales", es finito; en el estado del vacío de De Sitter, el Universo permanecerá para siempre. ¿Por qué, entonces, nos encontramos como observadores "normales" que emergen de la evolución, y no como cerebros de Boltzmann en un vacío de De Sitter?

Aunque en un vacío de De Sitter puede aparecer un cerebro de Boltzmann, la probabilidad de este evento es muy pequeña. Según el trabajo de Andrey Linde [5] , tal evento puede ocurrir aproximadamente una vez cada 10 10 50 años. Pero si el tiempo de existencia del Universo es infinito, entonces el número de tales eventos también será infinitamente grande. En un Universo infinito, el número de cerebros de Boltzmann y cerebros "normales" (productos de la evolución) será igualmente igual al infinito. Otras conclusiones dependen de cálculos precisos de la densidad de probabilidad de la formación de cerebros de Boltzmann (que surgen como resultado de fluctuaciones) y cerebros "normales" (que surgen en el curso de la evolución). Si la densidad de probabilidad de la formación del cerebro de Boltzmann es mayor, entonces surge una paradoja ("paradoja/problema del cerebro de Boltzmann" en la cosmología moderna): es mucho más probable que un objeto seleccionado al azar en el Universo que tenga una mente sea el resultado de las fluctuaciones que un producto de la evolución . Si la densidad de probabilidad de la formación de un cerebro "normal" resulta ser mayor, entonces lo más probable es que se encuentre con el producto de la evolución, y no con el cerebro de Boltzmann.

Según el físico teórico y cosmólogo Sean Carroll , por el momento no hay forma de saber qué se formará más en varios escenarios del multiverso -cerebros de  Boltzmann o cerebros "normales"- porque calcular y comparar las probabilidades del nacimiento de universos, necesitamos la teoría de la gravedad cuántica , que aún no está construida. Además, hay que recordar que el problema del cerebro de Boltzmann surge cuando se hacen dos suposiciones:

1) hay un valor máximo de entropía;

2) El Universo está en un estado de equilibrio con el valor máximo de entropía, que no tiene dónde aumentar más.

Si estos dos supuestos no se cumplen, entonces en esta etapa del desarrollo de la ciencia no hay forma de realizar cálculos y comparar las probabilidades de formación de Boltzmann y los cerebros "normales".

Para comparar probabilidades, actualmente solo se utilizan argumentos cualitativos generales que, sin embargo, no permiten sacar conclusiones precisas y se contradicen entre sí. Por un lado, si, por razones termodinámicas o de otro tipo, resulta que un universo hipotético es capaz de soportar la existencia de sistemas en evolución solo durante un período de tiempo limitado, mientras se construye sobre los principios de la mecánica cuántica que conocemos, entonces podemos suponga que la densidad de probabilidad de la formación del cerebro de Boltzmann será mayor[ aclarar ] que un cerebro normal . Por otro lado, también hay que recordar que la formación de un cerebro Boltzmanniano es una fluctuación estadística asociada con la transición de un estado de equilibrio de alta entropía a un estado más ordenado de baja entropía. Por lo tanto, tales eventos son extremadamente raros. Si la formación de un cerebro "normal" durante la evolución no es una fluctuación, sino un proceso regular de transición a un estado con una entropía más alta, entonces es posible que tales eventos ocurran con más frecuencia que la formación de cerebros de Boltzmann.

Basado en algunos desarrollos en la teoría de la gravedad cuántica, Sean Carroll propone un escenario hipotético del multiverso [6] [7] , en el que cada universo, tarde o temprano, llega a un estado de alta entropía en forma de un de-Sitter el vacío, debido a las fluctuaciones cuánticas del vacío y del propio espacio, el tiempo da lugar a nuevos universos, que se separan de él y comienzan una existencia independiente. En el nuevo universo, al principio, hay baja entropía y domina la energía del falso vacío, como resultado de lo cual se produce inflación en él , y después de que termina y la energía del falso vacío se convierte en materia ordinaria (partículas y radiación), entonces todo sucede de acuerdo con el modelo estándar del Big Bang : en él pueden surgir galaxias, estrellas, planetas y vida. Los cerebros de Boltzmann a veces surgen en el universo padre. Sin embargo, la formación de un cerebro de Boltzmann es un evento improbable en el que se produce una disminución de la entropía. En el escenario de la formación del universo recién nacido descrito anteriormente, el estado inicial, que es un espacio de Sitter de alta entropía, evoluciona a un espacio de De Sitter de alta entropía más un pequeño universo nuevo. Y aunque la entropía del nuevo universo es pequeña, sin embargo, la entropía total es aún mayor que antes de este evento. Esto no es una fluctuación de una configuración de equilibrio de alta entropía a un estado de baja entropía, sino una transformación de un estado de alta entropía a un estado de entropía aún mayor. Por lo tanto, es muy posible que en este escenario se formen nuevos universos con más frecuencia que los cerebros de Boltzmann. Y cada universo apto para el surgimiento de la vida es capaz de generar una enorme cantidad de observadores. Por lo tanto, también es posible que en este escenario el número de observadores "normales" sea mayor que el número de cerebros de Boltzmann. Sin embargo, como señala Sean Carroll, el estado actual de desarrollo de la gravedad cuántica no permite cálculos precisos ni comparación de probabilidades. Este escenario solo demuestra que la ausencia de la paradoja del cerebro de Boltzmann es posible en principio. El punto clave de este escenario es que el multiverso no tiene un estado de máxima entropía, y el multiverso no está en un estado de equilibrio, sino en un estado de aumento infinito de entropía.

Sean Carroll también cree que si la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica es correcta, el problema del cerebro de Boltzmann desaparece. En la interpretación de de Broglie-Bohm, la paradoja también está prohibida. Sin embargo, en otras interpretaciones se conserva.

Además, debe tenerse en cuenta que la paradoja del cerebro de Boltzmann no es una inferencia estricta, ya que se basa en la suposición no probada de que somos observadores típicos en el universo (o multiverso). Aunque muchos científicos creen que esta suposición es útil porque permite realizar predicciones estadísticas, no está probada y en sí misma genera una serie de problemas [8] . Incluso si la mayoría de los observadores son cerebros de Boltzmann, bien podemos ser parte de una clase minoritaria privilegiada de observadores "normales".

En el cine

En " Guardianes de la Galaxia Vol. Parte 2 El planeta inteligente Ego comenzó su existencia como un cerebro de Boltzmann. Aunque la definición en sí no suena, lo que sucedió se muestra deliberadamente literalmente.

En la serie Agencia de detectives holísticos de Dirk Gently , los apellidos de los personajes principales (hermano y hermana) son Brotzman (que es una referencia directa). Estos personajes pudieron moldear involuntariamente el mundo que los rodeaba.

En la serie Stargate: SG-1 , episodio 13 de la temporada 7, el héroe de la película, Major Carter, cae en una nebulosa que le induce alucinaciones. El grupo presentado en la serie puede considerarse un cerebro de Boltzmann.

En la literatura

En la novela " Chthon " de Piers Anthony, el protagonista principal es una mente inorgánica, formada espontáneamente en las entrañas del planeta, donde el personaje principal acaba cumpliendo cadena perpetua.

Véase también

Notas

  1. ↑ Aquí todavía tenemos que mostrar que la aparición de cada cerebro Boltzmanniano es un evento independiente. De lo contrario, si la correlación es muy alta, entonces es más probable que aparezcan varios cerebros en la misma área aproximadamente al mismo tiempo.
  2. ↑ Carroll, 2017 , pág. 287-302.
  3. ↑ Albrecht A., Sorbo L. ¿Puede el universo permitirse la inflación? // Revisión física, 2004, D 70, 63528.
  4. ↑ Carroll, 2017 , pág. 413-414.
  5. ↑ Andréi Linde (2007). Sumideros en el paisaje, cerebros de Boltzmann y el problema de la constante cosmológica Archivado el 27 de octubre de 2018 en Wayback Machine . // Revista de Cosmología y Física de Astropartículas, 01(2007)022 doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022 .
  6. ↑ Carroll, 2017 , pág. 470-483.
  7. ↑ Carroll, Sean . La inflación espontánea y el origen de la flecha del  tiempo . - 2004. - arXiv : hep-th/0410270 .
  8. ↑ Carroll, 2017 , pág. 302-304.

Literatura

Enlaces