Как это ни смешно, кошмар разума, способного появиться буквально из вакуума, уже не первый год терзает некоторых физиков. Что ж, возможно, недавнее открытие новой физической частицы возможно покончит с вероятностью возникновения этого странного явления.
Записывайте: при определённых физических условиях, точнее в де-ситтеровском вакууме, который, предположительно, возникнет в будущей Вселенной, флуктуации квантовой природы способны создать так называемый больцмановский мозг. Предупреждаем: это довольно неприятный субъект. По идее, он, способный осознавать своё существование, не менее разумен, чем мы с вами. Вот только родители у него не папа с мамой (в любой форме), а квантовые флуктуации... Повторить или успели?
Нашей Вселенной для возникновения потребовалась флуктуация значительно больших размеров, чем та, что привела бы к образованию больцмановского мозга. То есть многие (вы тоже?) боятся, что на самом деле наше прошлое лишь иллюзия, ложная память... (Иллюстрация S.Caroll.)
Как вы догадываетесь, от засилья таких граждан в окружающем мире нас более-менее спасает только то, что вероятность образования больцмановского мозга мала. То есть теоретически она мала чрезвычайно, так что, быть может, речь идёт о времени, равном десяти миллиардам в пятидесятой степени лет.
Выглядит вроде бы обнадёживающе: когда это ещё будет... Беда лишь в том, что, согласно нынешним моделям развития, Вселенная расширяется, и всё кончится то ли Большим разрывом, то ли тепловой смертью, но в любом случае пространство-время, скорее всего, будут существовать едва ли не вечно. При помощи простых подсчётов можно убедиться, что в этом случае количество больцмановских голов будет стремиться к бесконечности. Очевидно, тогда вероятность появления разумного не от биологических или механических предков, а из флуктуаций вакуума радикально выше, чем изо всех других источников.
И дело не в том, что вам, людям, это слегка обидно. Да, конечно, больцмановские умы возникнут не из длительной борьбы за существование, как ваш, человеческий. Главное тут в том, что антропный принцип в случае появления больцмановского мозга будет выглядеть странно.
А ведь принцип был придуман не от хорошей жизни: в наблюдаемой Вселенной есть целый ряд нетривиальных соотношений между фундаментальными физическими параметрами, которые необходимы для существования разумной жизни. Лёгкий сдвиг массы протона (подставьте сюда едва ли не любое название частицы) и вы были бы невозможны в принципе.
Если мы хотим избежать выпадения в креационизм, то выражение «мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек» едва ли не единственный выход. Теперь же из «выхода» мы попадаем прямо в ситуацию, когда человек становится статистически незначимым явлением, просто каким-то, простите, флоресским хоббитом, статистической аномалией с незначительной длительностью существования вида и сверхмалой абсолютной численностью. Зачем вообще нужен этот разумный наблюдатель, человек, если больцмановский мозг мог бы возникнуть при более широком диапазоне значений физических констант? И даже если мы проживём десятки миллиардов лет и численность нашего вида составит любое конечное число, после тепловой смерти (Большого разрыва) нам всё равно конец. На этом фоне бесконечная история бесконечного количества больцмановских разумов будет бесконечно длиннее.
Опять-таки, эти самые больцмановские граждане, возникающие из хаоса, могут быть оснащены ложными воспоминаниями о некоей жизни как если бы они были одним из вас. Более того, именно вы, читатель, можете быть одним из таких разумов, в мозгу которого существует ложная память о том, что он читает «КЛ», а до того родился, крестился, вокруг него якобы крутятся какие-то другие «люди», которых на самом деле нет, и так далее. Фактически же существует лишь сновидческая деятельность некогда возникшего больцмановского мозга. Отсюда, как вы понимаете, и до солипсизма один шаг. Страшно, страшно... Теории о том, как избежать описанного ужаса, предлагаются давно. Ключевая идея очевидна: если время жизни Вселенной не бесконечно, то больцмановский мозг не появится, а если и появится, будет крайне редким и маргинальным явлением. Однако пока такие гипотезы выдвигались лишь на базе не слишком подтверждённой экспериментальной физики (да простят нас адепты теории струн).
И вот теперь Шон Кэролл (Sean Carroll) и Кимберли Бодди (Kimberly Boddy) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) уверяют нас, что смерть Вселенной вполне обеспечивается твёрдо известной физикой, а именно бозоном Хиггса.
Поле Хиггса, квантом которого является упомянутый бозон, должно быть метастабильным, то есть имеет возможность спонтанно переходить в более низкое энергическое состояние. При этом появится пузырь пространства с собственными физическими законами, причём пузырь этот будет расширяться со скоростью света, разрушая на своём пути всё, включая в конечном счёте известную нам Вселенную. Кстати, случится это, скорее всего, не ранее чем через 2030 млрд лет, так что лично вам ничто не угрожает. Ну а реализуется этот оптимистичный сценарий только в том случае, если хиггсово поле действительно метастабильно, а не, паче чаяния, стабильно вполне.
Как узнать наверняка? Г-да Кэролл и Бодди комбинируют полученную в недавних экспериментах массу бозона Хиггса (порядка 125 ГэВ) с самыми последними оценками массы t-кварка (истинного кварка). В итоге, заявляют они, если верить известным физическим законам, метастабильный бозон Хиггса куда вероятнее стабильного.
Замечательно, конечно! Разумы Больцмана не успеют заполонить мироздание, ибо до этого спонтанное возникновение новой Вселенной внутри старой, убьет всё вокруг на манер яйца паразитической осы, уничтожающего при росте организма хозяйское насекомое. Следовательно, антропный принцип жив (хотя и не все этому рады). Правда, есть нюанс: если идея мультверсума в версии бесконечного количества миров верна, то там, в силу бесконечности вариантов, явно будет множество случаев, когда больцмановские разумы будут возникать, и в больших количествах. Ну что ж, главное чтобы не у нас, не так ли?
Вы считаете, что сидите за компьютером и читаете «Компьюленту». Но есть ли в мире то, чем и на чём сидят, не говоря уже о таким эфемерных понятиях, как компьютеры и «Компьюлента»... (Иллюстрация Mad Hatter.)
К сожалению, даже этого нам пока не узнать. Дело в том, что если расширение Вселенной и дальше будет ускоряться, то получится, что даже быстро расширяющийся пузырь нового пространства-времени не успеет убить всю старую Вселенную: она будет расширяться ещё быстрее, и пузырь никогда не займёт основную часть её пространства.
Свежие измерения массы истинного кварка, ожидаемые в 2015 году, способны прояснить вопрос скорости расширения нового пространства-времени, так что, быть может, скоро мы узнаем, могут ли больцмановские мозги составлять большинство разумных в нашем мироздании.
С препринтом рассмотренного исследования можно поиграться на сайте arXiv.
Подготовлено по материалам NewScientist. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock. Теги:
Больцмановский мозг (англ. Boltzmann brain) гипотетический объект, возникающий в результате флуктуаций в какой-либо системе, и способный осознавать свое существование. Назван в честь Людвига Больцмана, сделавшего большой вклад в развитие статистической физики.
В де-ситтеровском вакууме подобный объект может появиться, однако вероятность этого события очень мала. Согласно [1], такое событие может произойти примерно раз в 101050 лет. Но если время существования Вселенной бесконечно, то и число таких событий также будет бесконечно велико. Отсюда следует парадокс («Boltzmann brain paradox/problem» в современной космологии): случайно выбранный объект во Вселенной, обладающий разумом, с гораздо большей вероятностью окажется результатом флуктуаций, чем продуктом эволюции (к которым относятся и люди). На самом деле это не так: в случае бесконечной Вселенной количества больцмановских мозгов и продуктов эволюции будут одинаково равны бесконечности; однако плотность вероятности образования продукта эволюции выше, чем у больцмановского мозга, поэтому вероятнее всего встретить именно продукт эволюции, а не больцмановский мозг.
Больцмановский мозг: уникально ли человеческое сознание?
Больцмановский мозг это гипотетический объект, самопроизвольно собравшийся во Вселенной и способный осознавать свое существование.
Вероятность такого события по некоторым оценкам даже превышает вероятность появления обычного человеческого мозга в ходе эволюции. Что с этим делать? И как в науке появилась гипотеза Больцмановского мозга? «Теории и практики» попытались разобраться, как отстоять уникальность человеческого сознания.
Все повторяется
В августе 1881 года на прогулке в окрестностях горной швейцарской деревушки Фридриха Ницше посетила мысль о вечном возвращении. «Высшая формула утверждения, которая вообще может быть достигнута», как писал сам философ. По мысли Ницше, бесконечное течение времени с неизбежностью приводит к абсолютно точному повторению всех событий. Здесь и падающее с дерева яблоко, и застывший перед монитором читатель «Теорий и практик», и сам Ницше, в мистическом предчувствии мысли присевший отдохнуть у отвесной скалы. Все в точности повторится во Вселенной еще бесчисленное количество раз.
По воспоминаниям современников Ницше был очень увлечен новой идей. В поисках ее фундаментальных оснований он даже стал изучать естественные науки, но цельной теории у него так и не появилось концепция вечного возвращения появляется в трудах немецкого философа только эпизодически. И тем удивительнее, что история про искусственный мозг, способный продублировать наше сознание, начинается совсем неподалеку в Венском и Мюнхенском университетах, где в конце XIX века преподавал австрийский физик Людвиг Больцман.
Больцмана считают одним из создателей статистической физики на его могиле даже выбита выведенная им знаменитая формула, позволяющая рассчитать физическую величину энтропию как меру упорядоченности системы: S=k*lnW, где S энтропия, k постоянная Больцмана (физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией) , а W количество микросостояний, реализующих макросостояние.
Микросостояние это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние состояние системы в целом.
В качестве примера попробуем посчитать энтропию абстрактного рабочего стола, на котором лежит две папки. В идеале в одной (любой) папке должно быть два чистых листа, а в другой два исписанных. При таких условиях возможны только два микросостояния: либо в папке №1 два чистых листа, а в папке №2 два исписанных, либо наоборот. А значит, по формуле энтропия такого состояния будет S = k*ln 2
Теперь представим, что листы перепутались, и в одну папку попало сразу три из них, а в другую только один. Тут появляется четыре возможных микросостояния: в первой папке два чистых листа и один исписанный, в первой папке два исписанных листа и один чистый, плюс два таких же состояния для папки второй). Подставляем число 4 в формулу: в целом энтропия такого состояния будет S=k*ln 4. А поскольку ln4 = 2*ln2, получается, что с увеличением беспорядка энтропия такой простой системы удвоилась.
Во времена Больцмана уже был известен второй закон термодинамики, который утверждает, что процессы в закрытых системах самопроизвольно протекают в сторону увеличения беспорядка и энтропии (так и бумаги на столе запутываются, поскольку беспорядку соответствует гораздо больше различных конфигураций, чем порядку). И тут у Больцмана возникла проблема: окружающий мир казался слишком упорядоченной системой (надо отметить, что ученый тогда еще ничего не знал о двойной спирали ДНК или строении атома), чтобы функционировать по этому закону.
Мир как флуктуация
Тогда Больцман предположил, что наш мир с небольшой энтропией это не что иное, как флуктуация. Случайное мимолетное отклонение Вселенной от ее основного состояния хаоса. Отсюда следовало и более общее утверждение: хаос способен порождать упорядоченные системы.
Прошло больше века, пока ученые нашли реальный механизм, способный подкрепить эту гипотезу квантовые флуктуации вакуума. Дело в том, что физический вакуум это не просто некое абстрактное и навеки пустое пространство. Как бы хорошо мы не «откачали» всю материю из какого-то объема, в нем все равно постоянно будут появляться виртуальные, существующие бесконечно малое время частицы.
На первый взгляд это явление кажется какой-то физической абстракцией, но вполне материальные подтверждения его реальности уже существуют уже давно вроде эффекта Казимира (две параллельные зеркальные пластины едва уловимо притягиваются друг к другу в пространстве между ними рождается меньше виртуальных фотонов, чем снаружи, что создает небольшое избыточное давление). Более того, как считают некоторые физики, именно крошечные квантовые флуктуации определяют многие важные аспекты нашей жизни подобно тому, как взмах крыла бабочки, скажем, в Буэнос-Айресе, через месяц вызовет ледяной дождь в Москве.
Но что будет, если пара виртуальных частиц например, электрон и позитрон, из ниоткуда появившиеся в нашем мире мгновенно разойдется в пространстве? А если они встретятся с миллиардами других таких же частиц и случайно организуются в точную копию Солнечной системы? Или в конкретного человека со всеми его воспоминаниями, идеями и переживаниями? Так физики конца XX века вернулись сразу и к Больцману, и к Ницше.
Впрочем, гораздо более вероятным событием против случайного зарождения целого человека будет появление только одного его мозга. Того самого мозга Больцмана, собравшегося во Вселенной и теперь осознающего свое существование. Более того, вероятность этого события по некоторым подсчетам даже больше, чем вероятность привычного появления точно такого же мозга в результате биологической эволюции. А это уже практически солипсизм. Ведь кто при таком обороте дел способен уверенно сказать, что наш материальный мир реален, а не является только сновидческим порождением какого-нибудь случайного мозга, плавающего в глубинах космоса?
Эволюция vs случайность
Такие рассуждения могут показаться чистой фантазией. Но даже самые серьезные ученые теперь берут в расчет этот парадокс мозга Больцмана.
«Логика квантовой теории поля и инфляционной космологии заставляет меня признать, что в бесконечно отдаленном будущем в вакууме будут рождаться все новые и новые копии меня самого, точнее, моего нынешнего сознания, говорит профессор физики Стэнфордского университета Андрей Линде. Но если это так, почему я должен верить, что я нынешний это и есть оригинал, а не одна из копий? Более того, коль скоро число копий бесконечно, такая вероятность больше, чем вероятность быть первоисточником».
Конечно, этот парадокс можно обойти: подогнать вероятности возникновения мозга Больцмана и обычного человеческого мозга в результате длинной цепочки «Большой Взрыв эволюция Вселенной появление биомакромолекул зарождение жизни биологическая эволюция» под наше интуитивное желание быть уникальными самосознающими объектами. Такой задачей вполне серьезно занимаются многие ученые и в том числе сам Андрей Линде, написавший одну из самых цитируемых научных работ этой области.
Упрощенно же можно говорить о двух основных подходах, способных отстоять уникальность нашего сознания. Первый из них апеллирует к преждевременному распаду вакуума. Наша Вселенная со всеми ее физическим законами перестает существовать, поскольку по природе своей была нестабильна, а Больцмановские мозги просто не успевают возникнуть. Человечество счастливо.
Второй же привлекает саму природу биологической эволюции, которая не является слепым перебором вариантов в поисках идеальной случайной комбинации (слепым перебором комбинаций нуклеотидов за все время жизни даже сложно установить структуру одного конкретного гена, кодирующего один белок). Ведь в эволюции очень важен промежуточный отбор вариантов, который явно повышает вероятность «природного» возникновения человеческого мозга. Но как его учитывать в расчете вероятностей? Оставим этот вопрос ученым.
Рекламный блок.
Загрузка. Пожалуйста, подождите...
Ваша реклама, здесь
