больцмановский мозг что это
Что такое Больцмановский мозг?
Может ли у нашей Вселенной быть сознание? Впервые этим необычным вопросом задался известный ученый XX века Людвиг Больцман, который предположил, что весь окружающий нас мир развивается по законам энтропии или определенной вероятности возникновения того или иного события. Учитывая тот факт, что сложному организму требуется гораздо больше времени на развитие, чем простому, можно сделать логичный вывод о том, появление человека гораздо менее вероятно, чем появление самостоятельного мозга. Так ли это или в теорию Больцмана закралась какая-то ошибка? Давайте попробуем порассуждать об этом вместе в данной статье.
Если теория о мультивселенных верна, то в одной из бесчисленных Вселенных вполне может появиться нечто, способное осознавать свое существование
Может ли разум появиться из ниоткуда?
Несмотря на то, что под фразой “Больцмановский мозг” многие представляют себе парящий в бескрайнем космическом пространстве человеческий мозг, Людвиг Больцман описывал результат спонтанных флуктуаций скорее как некую мыслящую субстанцию, которая способна осознавать свое существование и вести наблюдение за окружающим миром. Так, свое видение “Больцмановского мозга” смог показать знаменитый писатель-фантаст Станислав Лем в своем романе “Солярис”, где в качестве мыслящей субстанции выступает гигантская планета-океан. Современные ученые-физики пошли еще дальше, допустив, что “Больцмановским мозгом” может оказаться абсолютно любое существо во Вселенной, в том числе и мы с вами. Из-за того, что космос постоянно расширяется, приобретая все новые и новые свойства, бесконечность событий внутри него могут породить и некий отдельный разум внутри Вселенной. Подобные идеи, раньше считавшиеся непристойными для размышления в научной среде, постепенно начинают становиться полноценной частью научного знания, которое все больше начинает впитывать в себя теории не только из области физики и математики, но и философии, и психологии.
Людвиг Больцман — один из основоположников современной термодинамики
Является ли уникальной наша Вселенная?
Проблему “Больцмановского мозга” можно попытаться решить и с точки зрения квантовой теории поля, которая утверждает, что в бесчисленном количестве Вселенных можно обнаружить столь же бесчисленное количество копий того или иного события. Иными словами, бесконечность времени и пространства способна создать с абсолютной точностью все то, что когда-либо было ранее. Так, Фридрих Ницше еще в XIX веке рассуждал об идее о вечном возвращении, в котором история возвращается к своему же детальному воссозданию если не в нашей конкретно Вселенной, то хотя бы в одной из ее многочисленных копий.
Управляют всеми вселенными и мирами крошечные и едва заметные флуктуации, которые иногда могут представлять из себя всего лишь взмах крыла бабочки в Амазонии, который каким-то образом стал звеном в цепочке событий, повлекших возникновение урагана в Москве. Именно таким образом где-то в глубинах Вселенной может зародиться абсолютно точная копия нашей Солнечной системы с нашей планетой Земля и даже всеми ее обитателями. Вероятность такого события, конечно, мизерная. Однако в масштабах Вселенной даже самое невероятное происшествие имеет право на возникновение и существование. Вместе с тем, вероятность спонтанного возникновения мозга Больцмана, в этом случае, становится гораздо более реальной, чем даже возникновение отдельного человека.
А как считаете вы, является ли теория, доказывающая возможность возникновения Больцмановского мозга, реалистичной и имеющей право на существование? Давайте попробуем обсудить данный вопрос в нашем Telegram-чате или на официальном канале на Яндекс.Дзен.
Несмотря на то, что подобные рассуждения могут показаться лишь выдумкой писателя с буйной фантазией, современные космологи используют парадокс мозга Больцмана в качестве одной из важнейших теорий возникновения Вселенной и появления в ней человека.
Так устроен человеческий мозг
В коре головного мозга, которая, собственно, и несет ответственность за высшую нервную деятельность – личность, поведение, мышление и сознание, – насчитывается, по различным оценкам, от 10 до 25 млрд нейронов. Нервные импульсы передаются химическим путем через специальные участки мембран – синапсы. Каждый нейрон имеет более тысячи синаптических связей (а есть и такие, у которых это число достигает 10 000) с другими нейронами, и таким образом нейроны оказываются связаны друг с другом в огромную разветвленную сеть.
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 результатам моделирования, такое событие может произойти примерно раз в 10^10^50 лет. Но если время существования Вселенной бесконечно, то и число таких событий также будет бесконечно велико.
Нормальные люди – это структуры, возникшие благодаря неравновесным процессам вследствии «Большого Взрыва» в прошлом. Время первого появления больцмановского мозга: t = exp(ER), где Е=100 кг, а R=1 м. Это время равно (с точностью до пренебрежимого предфактора) обратной больцмановской экспоненте exp(-ER) = exp(-10^<45>).
Мир де Ситтера – вечный в будущем, поэтому как ни мала его температура и не ничтожна вероятность возникновения больцмановского мозга, количество больцмановских мозгов будет в конце-концов превышать количество тех нормальных существ, кто когда-нибудь жил. Общее число нормальных людей в фиксированном сопутствующем объеме ограничено. С другой стороны общее кумулятивное число больцмановских мозгов (или фриков,химер) будет экспоненциально расти со временем.
Пустой (заполненный только вакуумом) мир де Ситтера обладает энтропией и температурой в соответствии с формулами Хокинга-Бекенштейна. Даже в таком мире, по причине термодинамической флуктуации, прямо из ничего (из вакуума) может возникнуть мозг профессора Больцмана.
В связи с этим возникает интересный вопрос: почему мы не фрики?
Чтобы не допустить появления больцмановского мозга, Дон Пейдж предложил считать наш мир (с ничтожной плотностью вакуума) все-таки нестабильным, распадающимся на протяжении 20 млрд. лет.
«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. Например, можно предположить, что темная энергия, вызывающая экспоненциальное расширение Вселенной, распадется прежде, чем появятся хоть какие-то шансы на рождение всего лишь одной моей копии. В таком случае я вправе считать себя оригиналом, но вынужден предсказать, что Вселенная обречена на исчезновение».
Впрочем, по словам Андрея Линде, из этой ситуации есть и другой выход. Инфляционная космология настаивает на постоянном рождении новых вселенных с различными физическими законами. Это сложнейшая сеть из бесконечного множества миров, фрактальная структура все новых и новых вселенных. Тогда возникает возможность, что в каждом из новых миров рождается много новых оригиналов. Если удастся показать, что их число сильно превосходит число копий, рождающихся из вакуума, то станет понятно, почему мы реальные люди, а не больцмановские мозги.
«Фактически речь идет о том, – продолжает Андрей,– как сопоставлять вероятности различных процессов в вечно обновляющемся фрактальном мироздании. Это вполне реальная и очень серьезная проблема космологии. В принципе такое сравнение можно делать самыми разными способами. Однако если мы захотим, чтобы результаты отвечали нашей интуитивной вере в собственную реальность, очень многие алгоритмы сравнения придется отбросить. Вот и получается, что вроде бы чисто фантастическая идея больцмановского мозга выполняет в космологии очень серьезную роль.
И речь идет даже о большем. Сейчас мы начинаем вполне рационально обсуждать проблемы, которые раньше нам и в голову не приходили. Например, что такое сознание и может ли оно развиться из вакуума? Надо ли считать, что для этого вакуум непременно должен творить высокомолекулярные биоструктуры, или же он может обойтись электронными компьютерами? Более того, можно показать, что вакууму выгодней всего рождать не больших людей, а компьютеры размером с маленькую черную дыру. Так может, мы и есть такие компьютеры и только думаем, что мы люди? Мы верим, что это не так, и стараемся построить картину мира, в которой такая возможность была бы исключена. Но чтобы в этом всерьез разобраться, нужно не бояться залезать в вопросы, которые граничат и с физикой, и с психологией, и с философией. Раньше подобные дискуссии сочли бы недостойными ученых, а вот сейчас они постепенно становятся частью науки».
Поле Хиггса, квантом которого является упомянутый бозон, должно быть метастабильным, то есть иметь 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 20–30 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 стабильно.
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, по 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. Правда, есть нюанс: если идея мультверсума в версии бесконечного количества миров верна, то там, в силу бесконечности вариантов, явно окажется множество случаев, когда больцмановские разумы будут возникать, и в больших количествах. Ну что ж, главное — чтобы не у нас, не так ли?
Основное различие реальных и больцмановских мозгов в том, что первые должны в воспринимаемом мире видеть отражение упорядоченных законов, которые смогли их породить, тогда как вторые могут наблюдать полностью хаотический мир. Иначе говоря, Больцмановские мозги должны видеть больше чудес. Отсюда следует пригодность идеи о БМ для объяснения чудес.
Очевидно, что проблема БМ во многом аналогична проблеме компьютерных симуляций. Иначе говоря, можно назвать БМ спонтанно возникающими симуляциями. Очевидно, что если бы некий тип БМ мог бы самоподдерживаться или самореплицироваться, то он создал бы доминирующий класс среди всех БМ. (Точно также как вечная космологическая инфляция создаёт бесконечно большое пространство за счёт способности изначальной флюктуации очень быстро раздуваться при определённом сочетании начальных условий.) Это уже попахивает самозарожденим духа!
Странность проявлений НЛО также наводит на мысль о неких флюктуациях. Вообще, общее свойство аномальных явлений – их редкость, непредсказуемость и неповторимость. Это очень напоминает флюктуации. Однако классические НЛО демонстрируют некие элементы закономерностей. Классические квантовые флюктуации являются микромасштабными. Однако если весь мир наш – флюктуация, то флюктуации в том, пространстве, где он априорно возник, сопоставимы по масштабу со всем миром.
Один из возможных способов избавиться от Больцмановских мозгов – это предположить, что наша вселенная скоро самоуничтожится. «Is Our Universe Likely to Decay within 20 Billion Years?» Don N. Page
Ожидаемые измерения массы истинного кварка, способны прояснить вопрос скорости расширения нового пространства-времени, так что, быть может, скоро мы узнаем, могут ли больцмановские мозги составлять большинство разумных в нашей вселенной.
Источник: youtu.beБольцмановский мозг: уникально ли человеческое сознание?
Михаил Петров
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.
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=kln 4. А поскольку ln4 = 2ln2, 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 объема, в нем все равно постоянно будут появляться виртуальные, существующие бесконечно малое время частицы.
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».
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.
Что такое Больцмановский мозг
Гипотеза симуляции, голографический принцип и другие гипотезы о нереальности происходящего вокруг нас, пожалуй, берут начало от предположения, выдвинутого гениальным австрийским ученым XIX века — Людвигом Больцманом.
Какими бы занимательными и удивительными ни были эксперименты, проводимые в лаборатории, наибольший интерес вызывают мысленные эксперименты ученых. Больцмановский мозг — как раз один из таких мысленных экспериментов, связанный с сознанием, интеллектом, энтропией и вероятностью.
Парадокс энтропии
Мы живем в мире, который, по идее, не должен существовать. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия со временем должна повышаться. То есть все рано или поздно становится менее упорядоченным. Однако в некоторых областях Вселенной она может становиться более организованной в результате случайных флуктуаций, если одновременно другие ее области будут становиться все менее упорядоченными.
Мы живем в невероятно упорядоченной части Вселенной. Например, даже короткий отрезок молекулы ДНК устроен настолько аккуратно, что вероятность ее появления в результате «случайных флуктуаций» физического материала невообразимо мала. Но как вышло, что в одной клетке есть миллиарды базовых соединений, в сложных организмах — триллионы клеток, а на Земле — миллионы видов живых существ?
Антропный принцип
Все дело в так называемом антропном принципе, который многие считают крайней формой критерия отбора. Он гласит, что причина, по которой мы можем наблюдать нечто столь сложное, как человеческий мозг, состоит в том, что только нечто столь сложное, как человеческий мозг, и способно провести наблюдение.
Этот принцип используется и для объяснения того, почему универсальные физические постоянные, такие как сила гравитации, кажутся тонко настроенными для существования жизни на Земле. И звучит это объяснение примерно так: если бы эти постоянные были немного другими, жизнь не смогла бы существовать и мы не могли бы находиться здесь и сейчас, размышляя о том, почему физические постоянные кажутся тонко настроенными для существования жизни на Земле.
Выходит, во Вселенной есть чуть более упорядоченные области, но рядом нет никого, кто мог бы их заметить. Затем происходит флуктуация — и появляется настолько упорядоченная область Вселенной, что там рождается разумная жизнь, которая, в свою очередь, оглядывается и замечает, что живет в практически невозможно упорядоченном мире.
Можно вспомнить стандартную аналогию. Представьте себе, что сеть из миллиарда обезьян бесконечно колотит по печатным машинкам. Теперь вообразите, что какая-то из этих печатных машинок напечатала произведение Шекспира, которое обрело сознание. Что в итоге? После невероятно долгого времени появится «Гамлет», посмотрит вокруг и задумается, почему есть она — гениальная пьеса, — а все вокруг нее — непонятная абракадабра.
Больцмановский мозг
Однако не все так просто. Людвиг Больцман, австрийский физик-теоретик XIX века, которого нередко называют гением энтропии, предположил, что мозг и другие сложные упорядоченные объекты на Земле образовались в результате случайных флуктуаций вроде «Гамлета», о котором мы говорили выше. Но тогда почему мы видим миллиарды других сложных и упорядоченных объектов вокруг нас? Почему мы не сродни одинокому «Гамлету» в море бессмыслицы?
Больцман предполагал, что если случайные флуктуации могут создать мозг, подобный нашему, то в космосе должны летать мозги или одиноко сидеть на одном месте на необитаемых планетах во многих световых годах от нас. Это и есть Больцмановский мозг. Более того, эти мозги должны быть более обычным явлением, чем все те толпища сложных упорядоченных объектов, которые мы можем видеть на Земле.
Так у нас появляется еще один парадокс. Если единственное условие для сознания — мозг, подобный тому, что у вас в голове, то как вы можете быть уверены, что вы сами не являетесь таким Больцмановским мозгом? Если бы вы испытывали случайное сознание, то скорее оказались бы один в глубинах космоса, нежели окруженный подобными сознаниями. Почему «Гамлет» должен оглянуться и обнаружить «Сон в летнюю ночь» слева от себя, «Бурю» — справа от себя, «Двенадцатую ночь» — перед собой, а «Ромео и Джульетту» — позади?
Простые ответы, похоже, требуют какого-то волшебства. Возможно, сознание не возникает естественным образом в мозге — вроде головного, — а требуют метафизического вмешательства. Или же, возможно, мы не случайные флуктуации в термодинамическом бульоне и были помещены сюда разумным существом?
Программа «Ласка»
Конечно, ни один из вышеприведенных ответов нельзя назвать исчерпывающим. Основная идея состоит в том, что процесс естественного отбора способствует развитию сложных упорядоченных объектов, а не просто позволяет им случайно появляться. Как только на Земле возникла самореплицирующаяся молекула около 3,5 миллиарда лет назад, начался безостановочный процесс, который в итоге привел к крайней концентрации порядка, который мы видим вокруг себя.
Ричард Докинз проиллюстрировал это в своей книге «Слепой часовщик» при помощи программы «Ласка» (или «Хорек»). Программа начинается со строки случайно сгенерированной бессмыслицы. Затем она создает 100 копий строки с одинаковой вероятностью «мутации» каждой буквы в другую букву. Потом из 101 строки выживает только одна, наиболее похожая на фразу из «Гамлета» — «По-моему, оно смахивает на хорька» (Methinks it is like a weasel), — а другие 100 погибают. Следующее поколение создается из оставшейся строки таким же способом. По прошествии множества поколений выжившая строка будет все больше походить на цитату.
Если говорить кратко, то решение больцмановского парадокса заключается в том, что соорудить один мозг гораздо сложнее, чем создать Землю, наполненную этими мозгами. Случайные флуктуации, необходимые для запуска процесса естественного отбора, намного проще и менее точны, чем те, что потребуются для создания Больцмановского мозга в глубинах космоса.
Так что в следующий раз, когда вы почувствуете себя маленьким и ничтожным, вспомните, что вы намного сложнее, чем 4,5 миллиарда лет истории, которые привели к вашему рождению (и это если брать в расчет не возраст всей Вселенной, а одну лишь Землю).