Μπορεί η Θεωρία των πολλών κόσμων να μας σώσει από τους εγκεφάλους του Boltzmann;
Μπορείτε να εμπιστευτείτε τον κόσμο να είναι συνεπής; Οι επιστήμονες δεν έχουν πολλές επιλογές. Πρέπει να υποθέσουν ότι οι αντικειμενικές παρατηρήσεις του σύμπαντος μπορούν να είναι αξιόπιστες. Αυτή η υπόθεση μας επέτρεψε να αναπτύξουμε ισχυρές θεωρίες για την εσωτερική λειτουργία του σύμπαντος, αλλά, παραδόξως, μας έδειξε επίσης την πιθανότητα να εξαπατηθούμε τελικά. Είναι μια ιδέα γνωστή ως «ο εγκέφαλος του Boltzmann» και πηγάζει από μερικά από τα βαθύτερα ερωτήματα στη φυσική.
«Το πρόβλημα προκύπτει όταν ξεκινάμε με την εμπειρία μας για τον κόσμο, τη χρησιμοποιούμε για να κατασκευάσουμε την καλύτερη θεωρία μας για το πώς λειτουργεί πραγματικά ο κόσμος και μετά συνειδητοποιούμε ότι αυτή η ίδια η θεωρία προβλέπει ότι τα δεδομένα των αισθήσεών μας είναι εντελώς αναξιόπιστα», γράφει ο Sean Carroll. Θεωρητικός φυσικός του Caltech, σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε πέρυσι. Πήρε τον τίτλο «Γιατί οι εγκέφαλοι του Boltzmann είναι κακοί» επειδή οι θεωρίες που τους προβλέπουν είναι, ως αποτέλεσμα, «γνωστικά ασταθείς:δεν μπορούν ταυτόχρονα να είναι αληθινές και δικαιολογημένα να πιστευτούν». Μας οδηγούν στο να σκεφτούμε ότι το σύμπαν θα μπορούσε απλώς να είναι το μυαλό μας νομίζοντας ότι είναι μέρος ενός απέραντου σύμπαντος.
Ο Ludwig Boltzmann, παρά τον τίτλο του Carrol, είχε καλό μυαλό. Είναι ίσως πιο διάσημος για την ανάπτυξη, το 1872, της κινητικής θεωρίας των αερίων. Η θεωρία του Boltzmann όχι μόνο εξήγησε πώς η θερμότητα και η ενέργεια είναι το αποτέλεσμα των μοριακών αλληλεπιδράσεων, αλλά έδωσε έναν σαφή ορισμό σε μια έννοια γνωστή ως εντροπία. Η εντροπία περιγράφεται συχνά ως μέτρο της αταξίας ενός συστήματος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η εντροπία ενός συστήματος δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί.
Στη φυσική, η πίεση, η θερμοκρασία και ο όγκος ενός αερίου είναι γνωστά ως κατάσταση ενός αερίου. Στο μοντέλο του Boltzmann, οποιαδήποτε διάταξη ατόμων ή μορίων που παράγει αυτή την κατάσταση είναι γνωστή ως μικροκατάσταση του αερίου. Δεδομένου ότι η κατάσταση ενός αερίου εξαρτάται από τη συνολική κίνηση των ατόμων ή των μορίων του, πολλές μικροκαταστάσεις μπορούν να παράγουν την ίδια κατάσταση. Ο Boltzmann έδειξε ότι η εντροπία μπορεί να οριστεί ως ο αριθμός των μικροκαταστάσεων που έχει μια κατάσταση. Όσο περισσότερες μικροκαταστάσεις, τόσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία. Αυτό εξηγεί γιατί η εντροπία ενός συστήματος τείνει να αυξάνεται. Με την πάροδο του χρόνου, ένα αέριο είναι πιο πιθανό να βρεθεί σε κατάσταση με πολλές πιθανές μικροκαταστάσεις παρά σε ένα αέριο με λίγες μικροκαταστάσεις.
Δεδομένου ότι η εντροπία αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, το πρώιμο σύμπαν πρέπει να είχε πολύ χαμηλότερη εντροπία. Αυτό σημαίνει ότι η Μεγάλη Έκρηξη πρέπει να είχε μια εξαιρετικά χαμηλή εντροπία. Αλλά γιατί η αρχέγονη κατάσταση του σύμπαντος θα είχε τόσο χαμηλή εντροπία; Η θεωρία του Boltzmann παρέχει μια πιθανή απάντηση. Αν και οι υψηλότερες καταστάσεις εντροπίας είναι πιο πιθανές με την πάροδο του χρόνου, είναι δυνατό για ένα θερμοδυναμικό σύστημα να μειώσει την εντροπία του. Για παράδειγμα, όλα τα μόρια του αέρα σε ένα δωμάτιο θα μπορούσαν απλώς να στριμώξουν μαζί σε μια γωνία του δωματίου. Δεν είναι πολύ πιθανό, αλλά, στατιστικά, είναι πιθανό . Η ίδια ιδέα ισχύει για το σύμπαν συνολικά:Εάν ο αρχέγονος κόσμος βρισκόταν σε θερμοδυναμική ισορροπία, υπάρχει μια μικρή πιθανότητα τα πράγματα να ενωθούν για να δημιουργήσουν μια κατάσταση εξαιρετικά χαμηλής εντροπίας. Αυτή η κατάσταση πυροδότησε στη συνέχεια τη Μεγάλη Έκρηξη και το σύμπαν που βλέπουμε γύρω μας.
Ωστόσο, εάν η χαμηλή εντροπία της Μεγάλης Έκρηξης οφειλόταν απλώς σε τυχαία πιθανότητα, αυτό οδηγεί σε πρόβλημα. Άπειροι πίθηκοι μπορεί να πληκτρολογήσουν τυχαία τα Ολοκληρωμένα Έργα του Σαίξπηρ , αλλά θα ήταν πολύ πιο πιθανό να πληκτρολογήσουν την πολύ συντομότερη Διεύθυνση Gettysburg. Ομοίως, ένα Big Bang χαμηλής εντροπίας θα μπορούσε να προκύψει από μια αρχέγονη κατάσταση, αλλά εάν το σύμπαν είναι μια συλλογή μικροκαταστάσεων, τότε είναι πιο πιθανό να βρεθεί σε μια συνειδητή κατάσταση που πιστεύει ότι βρίσκεται σε ένα σύμπαν και όχι σε ολόκληρο το φυσικό σύμπαν εαυτό. Δηλαδή, η ύπαρξη εγκεφάλου Boltzmann είναι πιο πιθανή από την ύπαρξη ενός σύμπαντος. Η θεωρία του Boltzmann οδηγεί σε ένα παράδοξο, όπου η ίδια η επιστημονική υπόθεση ότι μπορούμε να εμπιστευτούμε αυτό που παρατηρούμε οδηγεί στο συμπέρασμα ότι δεν μπορούμε να εμπιστευτούμε αυτό που παρατηρούμε.
Αν και είναι ένα ενδιαφέρον παράδοξο, οι περισσότεροι αστροφυσικοί δεν πιστεύουν ότι οι εγκέφαλοι Boltzmann είναι μια πραγματική πιθανότητα. (Ο Κάρολ, για παράδειγμα, τους θεωρεί ανελέητα «αυτο-υπονομικούς και ανάξιους σοβαρής εξέτασης», λόγω της γνωστικής τους αστάθειας.) Αντίθετα, προσβλέπουν σε φυσικές διαδικασίες που θα έλυσαν το παράδοξο. Οι φυσικές διεργασίες που δημιουργούν την πιθανότητα του εγκεφάλου Boltzmann είναι οι διακυμάνσεις της ενέργειας του κενού εγγενείς στην κβαντική θεωρία—μικρές ενεργειακές διακυμάνσεις μπορούν να εμφανιστούν έξω από το κενό. Συνήθως δεν είναι αισθητές, αλλά υπό ορισμένες συνθήκες αυτές οι διακυμάνσεις του κενού μπορεί να οδηγήσουν σε πράγματα όπως η ακτινοβολία Hawking και ο κοσμικός πληθωρισμός στο πρώιμο σύμπαν. Αυτές οι διακυμάνσεις βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία στο πρώιμο σύμπαν, επομένως ακολουθούν τις ίδιες τυχαίες στατιστικές Boltzmann με τον αρχέγονο σύμπαν, καθιστώντας επίσης πιο πιθανό να δημιουργήσουν έναν εγκέφαλο Boltzmann αντί για το σύμπαν στο οποίο φαίνεται να βρισκόμαστε.
Αλλά αποδεικνύεται ότι, εφόσον το σύμπαν διαστέλλεται, αυτές οι φαινομενικές διακυμάνσεις μπορεί να μην προέρχονται από το κενό. Αντίθετα, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος προκαλεί την εμφάνιση θερμικών διακυμάνσεων, όπως ο ορίζοντας γεγονότων μιας μαύρης τρύπας προκαλεί την ακτινοβολία Hawking. Αυτό δίνει την εμφάνιση των διακυμάνσεων του κενού, από την άποψή μας. Το πραγματικό κενό του χώρου και του χρόνου δεν παρουσιάζει διακυμάνσεις, επομένως δεν μπορεί να δημιουργήσει έναν εγκέφαλο Boltzmann.
Η ιδέα, από τη φυσική του Caltech, Kimberly Boddy, και τους συνεργάτες της, είναι κάπως εικαστική και έχει μια ενδιαφέρουσα σύλληψη. Το επιχείρημα ότι το πραγματικό κενό του σύμπαντος είναι ακίνητο βασίζεται σε μια εκδοχή της κβαντικής θεωρίας που είναι γνωστή ως διατύπωση πολλών κόσμων. Σύμφωνα με αυτήν την άποψη, η κυματική συνάρτηση ενός κβαντικού συστήματος δεν «καταρρέει» όταν παρατηρείται. Αντίθετα, διαφορετικά αποτελέσματα του κβαντικού συστήματος «αποσύνονται» και απλώς εξελίσσονται κατά μήκος διαφορετικών μονοπατιών. Εκεί που κάποτε το σύμπαν ήταν μια υπέρθεση διαφορετικών πιθανών αποτελεσμάτων, η κβαντική αποσυνοχή δημιουργεί δύο καθορισμένα αποτελέσματα. Φυσικά, εάν το μυαλό μας είναι απλώς φυσικές καταστάσεις μέσα στον κόσμο, το μυαλό μας χωρίζεται επίσης σε δύο αποτελέσματα, με το καθένα να παρατηρεί ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα.
Για να λύσουμε το παράδοξο του εγκεφάλου του Boltzmann, ίσως χρειαστεί να αντιμετωπίσουμε την πραγματικότητα ότι ο καθένας μας δεν είναι τόσο μοναδικός όσο φαίνεται. Το μοντέλο πολλών κόσμων θα μπορούσε επίσης να ονομαστεί μοντέλο πολλών μυαλών. Σε ένα σύμπαν πολλών κόσμων θα υπήρχαν μυαλά πολύ σαν τα δικά μας, το καθένα με ελαφρώς διαφορετικές εμπειρίες και το καθένα θα είχε το ίδιο δικαίωμα να λέγεται «εμείς» όπως εμείς.
Ο Brian Koberlein είναι αστροφυσικός και καθηγητής φυσικής στο Rochester Institute of Technology . Γράφει για την αστρονομία και την αστροφυσική στο ιστολόγιό του Ένα Σύμπαν τη φορά . Βρείτε τον στο Twitter @BrianKoberlein .
ΠΡΟΣΟΧΗ:Γιατί βρισκόμαστε σε αυτό το σύμπαν και όχι σε ένα άλλο.
Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Απρίλιο του 2017.
