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.
Honnan tudjuk, hogy saját életet élő emberek vagyunk, és nem csupán egy most alakult, mesterséges emlékekkel teli agy, ami pillanatnyilag hallucinál egy igazából nem is létező valóságot? Talán abszurdnak hangzik, de több generációnyi kozmológust hagyott már álmatlanul forgolódni ez a gondolat, amelyet a Boltzmann-agy paradoxonának hívunk.
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.
Névadója, Ludwig Boltzmann 19. századi fizikus egy olyan időszakban élt, amelyben tudósok szenvedélyesen vitatkoztak arról, hogy a világegyetem véges vagy végtelen ideje létezik-e. Boltzmann főként arról lett ismert, hogy forradalmasította a termodinamikát, azaz a fizika energiával foglalkozó ágát. Új értelmezést nyújtott az entrópiára, amely egy rendszer rendezetlenségének fokát hivatott mérni. A pohár egy rendezett rendszer, míg a törött pohár rendezetlen. A termodinamika 2. főtétele szerint a zárt rendszerek rendezetlenségi foka nő: egy törött üvegpohár sosem fog eredeti állapotába visszarendeződni.
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.
Boltzmann elmélete statisztikai érvekkel magyarázta ezt a viselkedést. Szerinte egy rendszer rendezetlenségi foka azért nő, mert az a valószínűbb. Ugyanakkor az ellenkező folyamat sem lehetetlen, csak éppen annyira valószínűtlen, hogy a rántottából mégsem lesz soha nyers tojás.
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.
Ám ha a világegyetem végtelen hosszú ideig létezik, rendkívül valószínűtlen események is be fognak következni, például, hogy komplex dolgok formálódnak ki részecskék véletlen kombinációjából. És hogyan is néz ki mindez egy elméletben végtelenül öreg világegyetemben? Ebben a jelentéktelenül parányi közel-semmiben 8 kvadrilliárdnyi atom véletlenszerűen egyesül, hogy létrehozza a replikáját A gondolkodó szobrának, tésztából. Ami azonnal szerte is foszlik. Emitt a részecskék egyszer csak egy aggyá alakulnak. Az agy egy, a jelen pillanatig mutató teljes élet hamis emlékeivel van tele, amikor is érzékeli, ahogy egy videó pontosan ezeket a szavakat formálja - majd felbomlik. És végül: véletlen fluktuációk révén a kozmosz összes részecskéje egyetlen pontban koncentrálódik, és spontán módon megszületik egy teljesen új világegyetem. Az utóbbi két eset közül vajon melyik a valószínűbb? Az agyé, vitathatatlanul - hiszen minden komplexitása ellenére csupán apróság egy egész világegyetemhez képest. Az esély egy véletlen fluktuációk által létrehozott világegyetemre annyi, mint sok-sok halomnyi instant agy keletkezéséé. Ez alapján az érvelés alapján sokkal valószínűbbnek tűnik, hogy minden, amit létezőnek hiszünk, valójában csak múló illúzió, ami hamarosan megszűnik.
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 nem jutott ilyen messzire felvetésével; az agyak elméletét későbbi kozmológusok építették rá munkájára. Ők azonban, akárcsak mindenki más, egészen biztosak voltak abban, hogy ők maguk nem csupán múlandó agyak. A paradoxon tehát az: hogy lehet nekik is igazuk és a világegyetem is örök? A megoldást ma legtöbben magától értetődőnek gondolják: világegyetemünk nem létezik örök időktől fogva, a tér és az idő egy ősrobbanással kezdődött.
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?
Akkor tehát a paradoxont fel is oldottuk, nem igaz? Hát, talán mégsem. A múlt században a tudósok mindenütt bizonyítékot tudtak találni az ősrobbanás elméletére. Mégis: míg tudjuk, hogy az ősrobbanás megtörtént, senki nem tudja, hogy mi - ha egyáltalán valami - előzte meg és okozta azt. Miért egy nagyon rendezett, valószínűtlen állapotban kezdődött a világegyetem? Univerzumunk vajon a megalakulások és összeomlások soha véget nem érő ciklusa? Esetleg valamely multiverzumon belül táguló világegyetemek egyikében élnénk?
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...
Ebben az összefüggésben Boltzmann paradoxona megújult inspirációval szolgál a mai kozmológusok számára. Egyesek szerint az univerzum kialakulását leíró legfőbb modellek mégiscsak azt sugallják, hogy a Boltzmann agyak valószínűbbek az emberi agyaknál, és felvetik, hogy itt valami nem stimmel. Mások szerint viszont a kozmológiai modellek kisebb módosításával elkerülhető ez a probléma, vagy hogy Boltzmann agyai valójában nem is képesek fizikai formát ölteni. Egyes kutatók még azt is megpróbálták kiszámolni, mi a valószínűsége annak, hogy egy véletlen fluktuációkból kipattanó agy egyetlen gondolat erejéig meg tudjon maradni. Erre egy elképesztő számot kaptak, aminek a nevezője 10-nek egy olyan hatványa, ami kb. kvadrilliószor nagyobb, mint ahány csillag van a világegyetemben. Abszurditása ellenére a Boltzmann-agy paradoxona mégis hasznos, mert kijelöl egy szintet, amelyet a modelleknek el kell érniük. Ha, ilyen számokkal összehasonlítva, a világegyetem jelenlegi állapota rendkívülien valószínűtlen, akkor valami szinte bizonyosan téves a modellben. Hacsak nem mi tévedünk...