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.
Làm sao để biết bạn là một người đang thực sự sống chứ không phải chỉ là một bộ não mới hình thành chứa đầy ký ức nhân tạo, nhất thời ảo tưởng về một thực tại vô thực? Điều đó nghe có vẻ vô lý nhưng lại khiến nhiều thế hệ các nhà vũ trụ học hàng đầu thao thức. Đó là nghịch lý não 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.
Cha đẻ của nó, Ludwig Boltzmann, là một nhà vật lí học ở thế kỉ 19, thời kỳ mà các nhà khoa học say sưa tranh luận rằng thời gian vũ trụ đã tồn tại là vô hạn hay hữu hạn. Điều khiến Boltzmann nổi tiếng là cách mạng hóa nhiệt động lực học, một ngành vật lý nghiên cứu năng lượng. Ông phát triển cách hiểu mới về entropy, còn gọi là đơn vị đo độ hỗn loạn của một hệ. Cái ly là một hệ ngăn nắp , còn cái ly vỡ là hệ bất ngăn nắp. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho rằng các hệ kín có xu hướng hỗn loạn: bạn sẽ không thấy một cái ly vỡ trở về trạng thái ban đầu của nó.
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 sáng suốt ở chỗ ông đã áp dụng lập luận thống kê cho động thái này. Ông nhận thấy rằng một hệ phát triển đến một trạng thái rối loạn hơn vì có nhiều khả năng xảy ra hơn. Tuy nhiên, phương diện ngược lại không phải là không khả thi, chỉ là rất ít khả năng ta sẽ thấy trứng chín biến thành sống.
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.
Nhưng nếu thời gian vũ trụ đã tồn tại là vô hạn, những sự kiện cực kỳ bất khả thi sẽ xảy ra, gồm những thứ phức tạp hình thành từ sự kết hợp ngẫu nhiên của các hạt. Vậy điều đó trông ra sao trong một vũ trụ cũ vô hạn giả định? Trong dải dài bình thường tưởng như hư vô này, khoảng tám tỷ nguyên tử kết hợp ngẫu nhiên với nhau, tạo thành mô hình Kẻ suy ngẫm làm từ mì ống. Nó tan biến ngay tức khắc. Còn bên này, những hạt này bỗng hình thành thứ gì đó giống như bộ não. Nó chứa đầy những ký ức sai lệch tính đến thời điểm hiện tại, lúc nó xem video phát ra những từ này, trước khi phân rã. Và cuối cùng, bằng các dao động ngẫu nhiên, tất cả các hạt trong vũ trụ đều tụ tại một điểm, và cả một vũ trụ mới hình thành một cách tự phát. Trong hai viễn cảnh trên, cái nào có nhiều khả năng hơn? Cho đến nay, bộ não— dù phức tạp đến mấy, cũng chỉ là một đốm sáng so với toàn bộ vũ trụ. Xác suất tạo ra một vũ trụ bằng các dao động ngẫu nhiên là tương đương với hàng vạn bộ não như trên chất chồng lên nhau. Vì vậy, theo lý thuyết này, dường như rất có khả năng mọi thứ bạn tin là thật sự tồn tại thực chất chỉ là ảo ảnh ngắn ngủi, sẽ sớm bị lu mờ.
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.
Lúc bấy giờ, Boltzmann không nghĩ xa đến vậy; Phần thuyết về não là do các nhà vũ trụ đời sau học phát triển nên dựa trên nghiên cứu của ông. Nhưng họ, như những người khác, khá chắc chắn rằng bản thân họ không chỉ là những bộ não phù du. Vậy, nghịch lý là: làm sao mà họ đúng và vũ trụ là vĩnh cửu? Giải pháp là điều hiện nay hay bị xem nhẹ: rằng vũ trụ của ta không tồn tại mãi mãi, đúng hơn là thời gian và không gian bắt đầu từ một Vụ nổ lớn.
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?
Thế là giải quyết xong nghịch lý rồi, nhỉ? Có lẽ là không. Thế kỷ trước, các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng ủng hộ giả thuyết cho rằng Vụ nổ lớn có ở mọi nơi ta nhìn thấy. Dù ta biết rằng Vụ nổ lớn có xảy ra, nhưng không ai biết điều gì, nếu có, đã xảy ra trước đó và nguyên nhân là gì. Tại sao vũ trụ lại bắt đầu trong một trạng thái cực kỳ trật tự, và không mấy khả thi, như vậy? Có phải vũ trụ của ta đang trải qua một chu kỳ hình thành và sụp đổ không ngừng? Hay ta đang ở một trong nhiều vũ trụ đang phát triển thuộc một đa vũ trụ?
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...
Trong bối cảnh này, nghịch lý Boltzmann đã thu hút sự chú ý của các nhà vũ trụ học đương đại. Vài người cho rằng các mẫu hàng đầu về nguồn gốc của vũ trụ vẫn ngụ ý là bộ não theo thuyết Boltzmann thì khả thi hơn bộ não người thường, cho thấy có gì đó bất ổn. Những người khác phản bác rằng sửa đổi các mẫu vũ trụ đôi chút sẽ tránh được vấn đề, hoặc bộ não theo thuyết Boltzmann không thể hình thành dưới dạng vật chất. Một số nhà nghiên cứu thậm chí còn cố tính xác suất một bộ não hình thành từ các dao động lượng tử ngẫu nhiên trụ đủ lâu để có một suy nghĩ giản đơn. Họ tìm ra con số đáng kinh ngạc này với mẫu số là 10 lũy thừa một con số lớn hơn khoảng một triệu lũy thừa bảy lần so với số sao trong vũ trụ. Nghịch lý não Boltzmann, dù có những điểm vô lý, vẫn hữu ích vì nó đặt ra một mức chuẩn mà các mẫu phải gắng với tới. Nếu so sánh với các con số như trên, trạng thái hiện tại của vũ trụ là cực kỳ khó xảy ra, có điều gì đó trong mẫu gần như chắc chắn là sai. Trừ phi bạn mới là người sai...