Woher weißt du, dass du ein Mensch bist, der sein Leben lebt, und nicht ein gerade gebildetes Gehirn voller künstlicher Erinnerungen, das eine Realität herbeihalluziniert, die eigentlich nicht existiert? Das mag absurd klingen aber es hat mehreren Generationen führender Kosmologen schlaflose Nächte bereitet. Sie nennen es das Boltzmann-Gehirn.
How do you know you’re a person who has lived your life, rather than a just-formed brain full of artificial memories, momentarily hallucinating a reality that doesn't actually exist? That may sound absurd, but it’s kept several generations of top cosmologists up at night. They call it the Boltzmann brain paradox.
Sein Namensgeber, Ludwig Boltzmann, war ein Physiker im 19. Jahrhundert. Damals diskutierte die Wissenschaft leidenschaftlich darüber, ob das Universum seit unendlicher oder endlicher Zeit existiert. Boltzmann wurde vor allem dafür bekannt, dass er die Thermodynamik revolutionierte, das Gebiet der Physik, das Energie untersucht. Er legte eine neue Interpretation von Entropie vor, die ein Maß für die Unordnung eines Systems ist. Ein Glas ist ein ordentliches System, zerbrochen ist es ein unordentliches. Laut dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik neigen geschlossene Systeme zur Unordnung: ein zerbrochenes Glas wird nicht in seinen Ursprungszustand zurückkehren. Boltzmanns Erkenntnis wandte statistische Überlegungen auf dieses Verhalten an. Ein System entwickelt sich zu einem Zustand der Unordnung, da dieser wahrscheinlicher ist. Doch die Umkehrung ist nicht unmöglich, nur so unwahrscheinlich, dass wir es wohl nie erleben werden, dass Rühreier wieder roh werden.
Its namesake, Ludwig Boltzmann, was a 19th century physicist operating in a period when scientists were passionately debating whether the universe had existed for an infinite or finite time. Boltzmann’s main claim to fame was revolutionizing thermodynamics, the branch of physics that studies energy. He put forward a new interpretation of entropy, which is a measure of the disorder of a system. A glass is an ordered system, whereas a shattered glass is disordered. The second law of thermodynamics states that closed systems tend towards disorder: you won’t see a shattered glass return to its pristine state. Boltzmann’s insight was applying statistical reasoning to this behavior. He found that a system evolves to a more disordered state because it’s more likely. However, the opposite direction isn’t impossible, just so unlikely that we’ll never witness things like scrambled eggs turning raw.
Wenn das Universum jedoch für eine unendliche Zeit existiert, werden extrem unwahrscheinliche Ereignisse eintreten, einschließlich komplexer Dinge, die sich aus zufälligen Teilchenkombinationen zusammensetzen. Wie sieht das in einem hypothetisch unendlich alten Universum aus? In diesem unscheinbaren Zeitraum des Fast-Nichts kommen acht Quadrilliarden Atome zufällig zusammen und formen eine Nachbildung von Rodins “Denker” aus Nudeln. Sie löst sich sofort auf. Hier bilden die Partikel plötzlich so etwas wie ein Gehirn. Es ist voller falschen Erinnerungen an ein Leben bis zum jetzigen Zeitpunkt, als es ein Video wahrnimmt, das genau diese Worte wiedergibt bevor es zerfällt. Und schließlich konzentrieren sich durch zufällige Fluktuation alle Teilchen im Kosmos auf einen einzigen Punkt und ein ganz neues Universum wird spontan ins Leben gerufen. Was von diesen letzten beiden ist wahrscheinlicher? Trotz seiner Komplexität ist das Gehirn bei Weitem nicht so komplex wie ein gesamtes Universum. Jedes einzelne durch zufällige Fluktuationen entstandene Universum hat die gleichen Chancen wie Unmengen Insta-Brains. Mit dieser Argumentation scheint es also viel wahrscheinlicher, dass alles, was du für real hältst, eigentlich eine flüchtige Illusion ist, die bald wieder verschwindet.
But if the universe exists over an infinitely long time, extremely unlikely events will happen, including complex things forming out of random combinations of particles. So what does that look like in a hypothetical infinitely old universe? In this unremarkable stretch of near-nothingness, about eight octillion atoms randomly come together to form a replica of the Thinker made of pasta. It instantly dissolves. Over here, these particles suddenly form something like a brain. It’s filled with false memories of a lifetime up to the present moment, when it perceives a video saying these very words, before decaying. And finally, by random fluctuations, all the particles in the cosmos concentrate in a single point, and an entire new universe spontaneously bursts into existence. Of those last two, which is more likely? The brain, by far— despite all its complexity, it’s a blip compared to an entire universe. Every one universe produced by random fluctuations has equivalent odds to heaps upon heaps of insta-brains. So by this reasoning, it seems extremely more likely that everything you believe to exist is actually a brief illusion, soon to be extinguished.
Boltzmann kam bei seinen Überlegungen nicht ganz so weit; die Gehirne wurden von späteren Kosmologen eingeführt, die auf seiner Arbeit aufbauten. Aber wie fast jeder andere auch waren sie sich sicher, dass sie selbst nicht nur flüchtige Gehirne waren. Das Paradox war also: Wie konnten sie Recht haben und das Universum ewig sein? Die Lösung betrachten die meisten heute als offensichtlich: Unser Universum existiert nicht seit ewigen Zeiten, sondern Raum und Zeit begannen mit einem Urknall.
Boltzmann didn’t get quite that far in his thinking; the brains themselves were introduced by later cosmologists building on his work. But they, like just about everyone else, were pretty sure that they themselves weren't just ephemeral brains. So the paradox was: how could they be correct and the universe be eternal? The resolution is something most take for granted today: that our universe has not existed forever, but rather time and space started with a Big Bang.
Damit ist das Paradoxon überwunden, oder? Nun, vielleicht nicht. Letztes Jahrhundert haben Wissenschaflter überall Beweise für die Urknall-Theorie gefunden. Wir wissen zwar, dass der Urknall stattgefunden hat, aber niemand weiß, was ihm vorausging oder ihn auslöste. Warum begann das Universum in so einem ordentlichen und unwahrscheinlichen Zustand? Ist das Universum in einem endlosen Kreislauf von Entstehung und Zusammenbruch? Oder sind wir in einem von vielen Universen, die sich innerhalb eines Multiversums ausbreiten?
So that’s the paradox over and done with, right? Well, maybe not. In the last century, scientists have found evidence supporting the theory of the Big Bang everywhere we look. Yet while we know that the Big Bang happened, no one knows what, if anything, preceded and caused it. Why did the universe begin in such an extremely ordered, and unlikely, state? Is our universe in an unending cycle of creation and collapse? Or might we be in one of many universes expanding within a multiverse?
In diesem Zusammenhang finden gegenwärtige Kosomologen erneut Interesse an Boltzmanns Paradoxon. Einige argumentieren, die führenden Modelle zur Entstehung des Universums gingen davon aus, dass Boltzmann-Gehirne wahrscheinlicher sind als menschliche. Das suggeriert, dass etwas nicht stimmt. Andere entgegnen, geringfügige Änderungen der kosmologischen Modelle würden das Problem vermeiden. oder Boltzmanns Gehirne könnten nicht wirklich physisch entstehen. Einige Forscher berechneten sogar, die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gehirn aus zufälligen Quantenfluktuationen lange genug besteht, um einen einzigen Gedanken zu denken. Sie erhielten eine unglaubliche Zahl mit dem Nenner 10 eine Zahl, die etwa eine Quadrillion Mal größer ist als die Anzahl der Sterne im Universum. Das Bolzmann-Gehirn ist trotz seiner Absurdität nützlich, weil es eine Messlatte für Modelle schafft. Wenn im Vergleich mit Zahlen wie dieser der derzeitige Zustand des Universums äußerst unwahrscheinlich ist, ist etwas an dem Modell mit Sicherheit falsch. Es sei denn, du bist derjenige, der falsch liegt ...
In this context, Boltzmann’s paradox has found renewed interest by contemporary cosmologists. Some argue that leading models for where the universe came from still imply that Boltzmann brains are more likely than human brains, suggesting something’s amiss. Others counter that slight modifications of the cosmological models would avoid the problem, or that Boltzmann’s brains can’t actually physically form. Some researchers even attempted to calculate the probability of a brain popping out of random quantum fluctuations long enough to think a single thought. They got this incredible number whose denominator is 10 to a number about a septillion times larger than the number of stars in the universe. The Boltzmann brain paradox, despite its absurdity, is useful because it creates a bar that models have to rise to. If, compared to numbers like this one, the current state of the universe is exceedingly unlikely, something in the model is almost certainly wrong. Unless you’re the one who is wrong...