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.
Comment savoir si vous êtes une personne qui a vécu ou un cerveau tout neuf rempli de souvenirs factices, qui hallucine momentanément une réalité qui n’existe pas vraiment ? Ça peut paraître absurde, mais des générations entières de cosmologues ont passé des nuits de veille là-dessus. On appelle ça le paradoxe du cerveau de Boltzmann.
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.
Son éponyme, Ludwig Boltzmann, était un physicien du 19e siècle, dans une période où les scientifiques débattaient avec passion pour savoir si l’univers avait toujours existé ou non. Boltzmann était surtout connu pour avoir révolutionné la thermodynamique, une branche de la physique qui étudie l’énergie. Il a mis en avant une nouvelle interprétation de l’entropie, qui est une manière de mesurer le désordre d’un système. Un verre est un système ordonné, mais un verre brisé est un système désordonné. La seconde loi de la thermodynamique dit que les systèmes fermés tendent au désordre : un verre brisé ne retournera pas à son état d’origine.
Boltzmann’s insight was applying statistical reasoning to this behavior.
L’idée de Boltzmann fut d’appliquer
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.
un raisonnement statistique à ce phénomène. Il a découvert qu’un système évolue vers un état plus désordonné parce que c’est plus probable. Mais l’inverse n’est pas impossible, juste si improbable que nous ne verrons jamais d’œufs brouillés redevenir crus.
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.
Mais si l’univers existe pendant un temps infiniment long, des événements très peu probables vont se produire, y compris des choses complexes se formant à partir de combinaison aléatoires de particules. Alors à quoi cela ressemble-t-il dans un hypothétique univers infiniment vieux ? Dans cette étendue banale, quasiment vide, environ huit octillions d’atomes se sont rejoints par hasard pour créer une copie du Penseur faite en pâtes. Elle se dissout instantanément. Ici, ces particules forment soudain ce qui ressemble à un cerveau. Ce cerveau est rempli de faux souvenirs, ceux de toute une vie jusqu’à maintenant, quand il perçoit une vidéo prononçant ces mots exacts avant qu’il ne se dissolve. Et enfin, par des fluctuations aléatoires, toutes les particules du cosmos se concentrent en un seul point, et d’un coup, un tout nouvel univers jaillit . De ces deux événements, lequel est le plus probable ? Le cerveau, bien sûr. Malgré toute sa complexité, ce n’est rien à côté d’un univers entier. Chaque univer né de fluctuations aléatoires a autant de chances de voir le jour qu’une abondance de cerveaux fugaces. Si on suit ce raisonnement, il est bien plus probable que tout ce que vous pensiez être réel ne soit qu’une illusion éphémère, touchant bientôt à sa fin.
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.
Boltzmann n’a pas poussé aussi loin ; les cerveaux ont été ajoutés par d’autres cosmologistes, se basant sur son travail. Mais, comme tout le monde, ils étaient plutôt sûrs de ne pas être de simples cerveaux éphémères. Voici le paradoxe : comment l’hypothèse peut être correcte et l’univers éternel ? La réponse peut nous sembler simple aujourd’hui : notre univers n’a pas existé depuis toujours, plutôt, le temps et l’espace furent créés avec le Big Bang.
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?
Donc, le paradoxe n’est plus, n’est-ce pas ? Eh bien, pas vraiment. Au siècle dernier, des scientifiques ont trouvé des preuves consolidant la théorie du Big Bang. Mais même si nous savons que le Big Bang a eu lieu, personne ne sait si quelque chose aurait existé avant et l’aurait causé. Pourquoi l’univers a-t-il commencé de manière si ordonnée et improbable ? Notre univers est-il une boucle infinie, oscillant entre création et destruction ? Ou sommes-nous un univers parmi d’autres, en expansion dans un multivers ?
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...
Dans ce contexte, le paradoxe de Boltzmann éveille de nouveau la curiosité des cosmologistes contemporains. Certains soutiennent que les modèles de la naissance de l’univers suggèrent que les cerveaux de Boltzmann sont plus probables que ceux humains, ce qui implique que quelque chose cloche. D’autres rétorquent que de légères modifications des modèles cosmologiques permettraient d’éviter tout ça, ou bien que les cerveaux de Boltzmann ne peuvent pas se former. Quelques chercheurs ont même essayé de calculer la probabilité qu’un cerveau émerge de fluctuations quantiques et assez longtemps pour avoir une quelconque pensée. Ils ont trouvé ce nombre incroyable dont le dénominateur est 10 à un nombre environ un septillion de fois plus grand que le nombre d’étoiles dans l’univers. Le paradoxe du cerveau de Boltzmann, malgré son absurdité, est utile car il permet de créer une barre que les modèles doivent franchir. Si, comparé à des nombres comme celui-là, l’état de l’univers est hautement improbable, alors quelque chose dans ce modèle cloche. Sauf si vous êtes celui qui a tort...