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.
Como você sabe que é uma pessoa quem viveu sua vida, ao invés de um cérebro recém-formado cheio de memórias artificiais, momentaneamente alucinando uma realidade que não existe de fato? Isso pode soar um absurdo, mas já deixou várias gerações dos melhores cosmólogos sem sono à noite. É o chamado paradoxo do cérebro 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.
Seu homônimo, Ludiwg Boltzmann, foi um físico do século 19 que operava num período em que os cientistas debatiam passionalmente se o universo tivera existido por um período infinito ou finito de tempo. A ascenção de Boltzmann à fama foi por revolucionar a termodinâmica, o ramo da física que estuda a energia. Ele deu início a uma nova interpretação da entropia, que é uma medida da desordem de um sistema. Um copo é um sistema ordenado, enquanto um copo quebrado é desordenado. A segunda lei da termodinâmica diz que sistemas fechados tendem à desordem: você não verá um vidro quebrado voltar à seu estado imaculado.
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.
A ideia de Boltzmann era aplicar raciocínio lógico a esse comportamento. Ele descobriu que um sistema evolui para um mais desordenado por ser mais provável. Entretanto, a direção oposta não é impossível, só tão improvável, que nunca veremos algo como ovos mexidos ficarem 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.
Mas se o universo existe por um período infinito de tempo, coisas extremamente improváveis acontecerão, incluindo coisas complexas se formando da combinação aleatória de partículas. Então com o que isso se parece num universo hipotético infinitamente velho? Nesse trecho ordinário que beira a não-existência, aproximadamente 8 octilhões de átomos aleatoriamente se uniriam em uma réplica d’O Pensador feita de macarrão, que instantaneamente se dissolve. Aqui, essas partículas subitamente formam algo como um cérebro. Cheio de falsas memórias de uma vida até o presente momento, até perceber um vídeo dizendo estas mesmas palavras, antes de decair. E finalmente, por flutuações aleatórias, todas as partículas no cosmo se concentram em um único ponto, e todo um novo universo espontaneamente passa a existir. Destes dois exemplos, qual é mais provável? O cérebro, de longe - apesar de toda sua complexidade - é um pontinho comparado a um universo inteiro. Cada universo produzido por flutuações aleatórias tem probabilidades equivalentes às de montes de cérebros instantâneos. Então, por esse raciocínio, parece extremamente mais provável que tudo que você acredita que exista seja na verdade uma breve ilusão, prestes a ser extinta.
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 não chegou tão longe com seu raciocínio; os cérebros em si foram introduzidos por cosmólogos posteriores usando seu trabalho Mas eles, assim como todo mundo, tinham bastante certeza de que não eram apenas cérebros efêmeros. O paradoxo era: como poderiam estar corretos e o universo ser eterno? A resolução é algo tido como certeza hoje: que nosso universo não existiu sempre, ao invés disso, tempo e espaço começaram com o 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?
O paradoxo acabou e foi resolvido, certo? Bem, talvez não. No século passado, cientistas encontraram evidências sustentando a teoria do Big Band em todo lugar que olhamos. Ainda que saibamos que o Big Bang ocorreu, ninguém sabe o que, se algo o precedeu e o causou. Por que o universo começou em um estado tão extremamente ordenado e improvável? Será que o nosso universo está em ciclo infinito de criação e colapso? Ou estaríamos em um, de muitos universos, expandindo em um 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...
Nesse contexto, o paradoxo de Boltzmann despertou o interesse de cosmólogos contemporâneos. Alguns argmentam que os principais modelos sobre a origem do universo ainda implicam que os cérebros Boltzmann são mais previsíveis que cérebros humanos, sugerindo que ainda falta algo. Outros dizem que leves mudanças dos modelos cosmológicos evitariam o problema, ou que os cérebros de Boltzmann não podem de fato se formarem fisicamente. Alguns pesquisadores até tentaram calcular a probabilidade de um cérebro se formar de flutuações quânticas aleatórias por tempo o suficiente para pensar um único pensamento. Eles chegaram a esse incrível número cujo denominador é 10 elevado a um número septilhões de vezes maior do que o número de estrelas no universo. O paradoxo do cérebro de Boltzmann, apesar de absurdo, é útil porque cria um patamar que os modelos precisam superar. Se, comparado com números como esse, o estado atual do universo é extremamente improvável, alguma coisa no modelo está quase certamente errada. A não ser que seja você o errado...