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.
Come fai a sapere di essere una persona che ha vissuto la sua vita invece di un cervello appena formato pieno di ricordi artificiali, che ha allucinazioni di una realtà che non esiste davvero? Può sembrare assurdo, ma ha reso insonni diverse generazioni dei più importanti cosmologi. Lo chiamano il paradosso del cervello di 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.
Il suo eponimo, Ludwig Boltzmann, era un fisico del XIX secolo attivo in un epoca in cui gli scienziati discutevano appassionatamente della possibilità che l’universo esistesse da tempo infinito o finito. Boltzmann fu celebre soprattutto per aver rivoluzionato la termodinamica, la branca della fisica che studia l’energia. Formulò una nuova interpretazione di entropia, una misura del disordine di un sistema. Un bicchiere è un sistema ordinato, invece un bicchiere frantumato è disordinato. La seconda legge della termodinamica dice che i sistemi chiusi tendono al disordine: non vedrete un bicchiere frantumato ritornare intatto.
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.
L’idea di Boltzmann fu di applicare la logica statistica a questo comportamento. Scoprì che un sistema evolve in uno stato più disordinato perché è più probabile. Tuttavia, l’opposto non è impossibile, solo improbabile quanto vedere le uova strapazzate diventare crude.
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.
Ma se l’universo esiste per un tempo infinitamente lungo, accadranno eventi altamente improbabili, incluse cose complesse che si formano da combinazioni casuali di particelle. Allora cosa significa ciò in un ipotetico universo infinitamente vecchio? In questo irrilevante periodo di quasi vuoto, circa otto quatriliardi di atomi a caso si uniscono per formare una copia del “Pensatore” fatta di pasta. Si dissolve subito. Qui, all’improvviso queste particelle formano qualcosa simile a un cervello. È pieno di ricordi falsi di una vita fino al presente, quando vede un video che dice queste stesse parole, prima di deperire. E alla fine, con oscillazioni casuali, tutte le particelle nel cosmo si concentrano in un singolo punto, e un intero nuovo universo prende spontaneamente vita. Delle ultime due cose, qual è più probabile? Il cervello, senza dubbio. Nonostante tutte le sue complessità, è un puntino rispetto a un universo. Ciascun universo creato da oscillazioni casuali ha probabilità equivalenti di ammassarsi su ammassi di insta-cervelli. Quindi, secondo questo ragionamento, sembra molto più probabile che tutto ciò che credete esista in realtà sia una breve illusione che presto si estinguerà.
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.
Boltzman non arrivò così lontano con le sue idee. I cervelli furono introdotti da cosmologi futuri che si basavano sul suo lavoro. Ma loro, proprio come tutti gli altri, erano davvero convinti di non essere solo cervelli effimeri. Allora il paradosso era: come potevano loro aver ragione e l’universo essere eterno? La soluzione è una cosa che molti danno per scontata oggi: il nostro universo non esiste da sempre, bensì tempo e spazio sono iniziati con il 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?
Dunque, ecco il paradosso bello e finito, giusto? Beh, forse no. Nell’ultimo secolo, gli scienziati hanno trovato prove a supporto della teoria del Big Bang ovunque. Eppure, anche se sappiamo che il Big Bang è avvenuto, nessuno sa cosa, se c’era qualcosa, l’ha preceduto e causato. Perché l’universo è iniziato in un modo così tanto ordinato e improbabile? Il nostro universo è in un ciclo infinito di creazione e crollo? O magari siamo in uno di tanti universi che si espandono in un multiverso?
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...
In questo contesto, il paradosso di Boltzmann ha trovato nuovo interesse dai cosmologi contemporanei. Secondo alcuni i modelli principali sulla provenienza dell’universo implicano ancora che i cervelli di Boltzmann sono più probabili di quelli umani, insinuando che manca qualcosa. Altri controbattono che leggere modifiche dei modelli cosmologici eviterebbero il problema, o che i cervelli di Boltzmann non possano fisicamente formarsi davvero. Alcuni ricercatori hanno persino provato a calcolare la probabilità che un cervello sbuchi fuori da una quantistica casuale di oscillazioni abbastanza a lungo da elaborare un singolo pensiero. Hanno ottenuto questo numero incredibile il cui denominatore è 10 per un numero di circa un settilione di volte più grande del numero delle stelle dell’universo. Il paradosso del cervello di Boltzmann, nonostante la sua assurdità, è utile perché crea un livello che i modelli devono raggiungere. Se paragonato a numeri come questo lo stato attuale dell’universo è oltremodo improbabile, c’è di sicuro qualcosa di sbagliato nel modello. A meno che non sei tu quello che si sbaglia...