世界が一貫していると信じられますか?科学者には多くの選択肢がありません。彼らは、宇宙の客観的な観察が信頼できると仮定する必要があります。この仮定により、宇宙の内部の仕組みに関する強力な理論を開発することができましたが、逆説的に、結局はだまされる可能性があることも示されました.これは「ボルツマンの頭脳」として知られるアイデアであり、物理学における最も深い問題のいくつかに由来しています。
「問題は、私たちが世界の経験から始め、それを使って世界が実際にどのように機能するかについて最善の理論を構築し、その後、この理論自体が私たちの感覚データが完全に信頼できないと予測していることに気付いたときに発生します」とショーン・キャロルは書いています。カリフォルニア工科大学の理論物理学者、昨年発表された論文で。彼が「なぜボルツマン脳が悪いのか」というタイトルを付けたのは、それらを予測する理論が結果として「認知的に不安定になるためです。それらは同時に真実であり、正当に信じることはできません」。彼らは、宇宙は広大な宇宙の一部であると考える私たちの心に過ぎないと考えるように導きます.
ルートヴィヒ・ボルツマンは、キャロルの称号にもかかわらず、優れた頭脳を持っていました。彼はおそらく、1872 年に気体の動力学理論を開発したことで最も有名です。ボルツマンの理論は、熱とエネルギーが分子相互作用の結果であると説明しただけでなく、エントロピーとして知られる概念を明確に定義しました。エントロピーはしばしば系の乱れの尺度として説明され、熱力学の第 2 法則は、系のエントロピーは決して減少しないと述べています。
物理学では、気体の圧力、温度、体積は 状態 として知られています。 ガスの。ボルツマンのモデルでは、この状態を生成する原子または分子の配置は、気体のマイクロ状態として知られています。気体の状態は、その原子または分子の全体的な動きに依存するため、多くのミクロ状態が同じ状態を生成できます。ボルツマンは、エントロピーが状態が持つマイクロステートの数として定義できることを示しました。マイクロステートが多いほど、エントロピーは大きくなります。これは、システムのエントロピーが増加する傾向がある理由を説明しています。時間の経過とともに、気体は、微小状態がほとんどない状態よりも、可能性のある微小状態が多い状態になる可能性が高くなります。
エントロピーは時間の経過とともに増加するため、初期の宇宙のエントロピーははるかに低かったに違いありません。これは、ビッグバンのエントロピーが異常に低かったことを意味します。しかし、宇宙の原始状態のエントロピーがこれほど低いのはなぜでしょうか?ボルツマンの理論は可能な答えを提供します。時間の経過とともにエントロピーが高くなる可能性が高くなりますが、熱力学系ではエントロピーが減少する可能性があります。たとえば、部屋のすべての空気分子がたまたま部屋の隅に集まっている可能性があります。可能性は低いが、統計的には可能性がある .同じ考えが宇宙全体に当てはまります。原始宇宙が熱力学的平衡状態にあった場合、物事が集まって非常に低いエントロピー状態を作り出す可能性はわずかです。その後、その状態がビッグバンと私たちの周りにある宇宙を引き起こしました。
しかし、ビッグバンの低エントロピーが単なる偶然によるものだとすると、問題が生じます。 シェイクスピア全集を無作為に打ち出す無限のサル 、しかし、彼らははるかに短いゲティスバーグ住所を入力する可能性がはるかに高くなります.同様に、低エントロピーのビッグバンは原初の状態から発生する可能性がありますが、宇宙が微小状態の集まりである場合、物理的な宇宙全体ではなく、宇宙にあると考える意識状態に陥る可能性が高くなります。自体。つまり、ボルツマン脳が存在する可能性は、宇宙が存在する可能性よりも高いということです。ボルツマンの理論はパラドックスにつながります。つまり、観察したものを信頼できるという非常に科学的な仮定が、観察したものを信頼できないという結論に至ります。
興味深いパラドックスですが、ほとんどの天体物理学者は、ボルツマン脳が現実のものになるとは考えていません。 （たとえば、キャロルは、彼らの認知的不安定性のために、容赦なく彼らを「自己を弱体化させ、真剣に検討する価値がない」と見なしています。）代わりに、彼らはパラドックスを解決する物理的プロセスに目を向けます.ボルツマン脳の可能性を生み出す物理的プロセスは、量子論に固有の真空エネルギー変動であり、真空から小さなエネルギー変動が現れることがあります。通常、それらは目立ちませんが、特定の条件下では、これらの真空の変動がホーキング放射や宇宙初期の宇宙インフレーションなどにつながる可能性があります。これらのゆらぎは、初期の宇宙では熱平衡状態にあったため、原始宇宙と同じランダムなボルツマン統計に従い、私たちがいるように見える宇宙よりもボルツマン脳を生み出す可能性が高くなります。
しかし、宇宙は膨張しているので、これらの明らかなゆらぎは真空から来ているのではないかもしれません。代わりに、宇宙が膨張するにつれて、ブラックホールの事象の地平線がホーキング放射を発生させるのと同じように、観測可能な宇宙の端が熱変動を引き起こします.これは、私たちの視点から見ると、真空のゆらぎのように見えます。空間と時間の真の真空は変動しないため、ボルツマン脳を作成することはできません。
カリフォルニア工科大学の物理学者 Kimberly Boddy とその同僚によるこのアイデアは、いくぶん推測的であり、興味深いキャッチがあります。宇宙の真の真空が静止しているという議論は、多世界定式化として知られる量子論のバージョンに依存しています。この見方では、量子系の波動関数は観測されたときに「崩壊」しません。むしろ、量子システムのさまざまな結果が「デコヒーア」し、さまざまな経路に沿って単純に進化します。かつて宇宙はさまざまな可能性のある結果の重ね合わせでしたが、量子デコヒーレンスは 2 つの明確な結果を生み出します。もちろん、私たちの心が宇宙内の単なる物理的状態である場合、私たちの心も 2 つの結果に分割され、それぞれが特定の結果を観察します。
ボルツマン脳のパラドックスを解決するには、私たち一人一人が見た目ほどユニークではないという現実に直面しなければならないかもしれません.多世界モデルは、多心モデルとも呼ばれます。多世界の宇宙全体に、私たちと非常によく似た心が存在し、それぞれがわずかに異なる経験を持ち、それぞれが私たちと同じように「私たち」と呼ばれる権利を持っています.
ブライアン・コバーラインは天体物理学者で物理学の教授です ロチェスター工科大学 <私>。ブログで天文学と天体物理学について書いています 一度に 1 つの宇宙 <私>。 Twitterで彼を見つける @BrianKoberlein .
見る:私たちが別の宇宙ではなく、この宇宙にいる理由
この古典的な Facts So Romantic の投稿は、もともと 2017 年 4 月に公開されたものです。
