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玻尔兹曼大脑:宇宙中或至少漂浮着7万5千亿亿亿...个意识体

2021-06-21  波平浪静...

玻尔兹曼大脑是著名的思想实验,这个思想实验一直都是宇宙学家的争论的焦点,到目前为止玻尔兹曼大脑依旧是宇宙学未解决的问题之一。

跟着科学认识论的思路,我们从易到难,渐进地理解这一高深思想实验背后的基础知识。

虚幻和真实一直都是哲学和神学的必争之地,可当物理学介入之后,一切都显得具有条理性了。

你也许听过庄周梦蝶的故事,在科幻电影中也见过缸中大脑的设定,在盗梦空间中观众甚至无法区分现实和梦境。

玻尔兹曼大脑:宇宙中或至少漂浮着7万5千亿亿亿...个意识体

这一切都来自一个很简单的思想实验:你看到的,听到的,摸到的,尝到的,嗅到的一切无非来自于人的五个感官。

五大感官摄入人脑的信息是直观的,而抽象的事物,比如经济学原理,历史事件,人际关系等等也是来自五大感官摄入的信息的深层次加工。

想象一下,如果你不能看见一个人,接触到一个人,听到一个人的说话。你怎么能总结出这个人的性格?怎么可以通过大量的人际交往案例而归纳出社会规则?

你思考的一切事物的底层逻辑都来自感官接受到的信息,而感官又将这些信息汇入大脑。

如果说大脑不需要感官,就不能思考了吗?

这个答案在逻辑上是否定的,如果我们直接拿掉感官,把虚假的信息摄入到大脑,并欺满过大脑,就可以让你的大脑误以为你是通过人体的五官接触到的世界,这在逻辑上完全行得通。

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所以哲学家笛卡尔曾经就怀疑一切,只要是感官摄入的信息都是不靠谱的。唯一靠谱的就是“我思故我在”。

意识思考的内容不管来自于真实的感官还是虚拟的感官,都无法撼动“我正在思考的事实”,这样的事实是你可以切身感受到的。

那么我说这么多,和玻尔兹曼大脑有什么关系?

当然是有关系的,因为玻尔兹曼大脑就是虚拟的一个体验,你甚至都没有身体,但依旧可以感受到当下的体验。因为信息可以是假的,是可以是被模拟的。

玻尔兹曼大脑:宇宙中或至少漂浮着7万5千亿亿亿...个意识体

路德维希·爱德华·玻尔兹曼

熵增定律是最浅显的一个道理,即便你没有学过物理,甚至都可以体会到这种道理。

热水放一段时间总会变凉,一滴墨汁滴入水中总会扩散开来。

在微观尺度上看,热水表面的水分子运动比较剧烈,这种剧烈程度就是温度和动能的体现。当热水表面的空气分子接触到运动程度更剧烈的水分子后,就会吸收一部分水分子动能而变得更剧烈。

于此同时,水分子因为传递给空气分子一部分动能而使其运动剧烈程度下降,也就是温度降低。

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一开始,基本都是热水分子单方面给空气分子传递动能,直到热水温度降到与空气温度相等为止,这时候动能传递就是动态可逆的了。

熵增定律在经典力学中,可以看作是高动能分子向低动能分子的能量传递,直到平衡。

而平衡之后的系统,熵值就保持恒定了。

但是分子之间的碰撞依旧在随机进行中,系统即便趋于平衡态,分子之间还在相互撞击。

只要是随机的,那么在概率上就有一种可能:一个房间内的空气分子有可能都聚在一个角落里。虽然这种概率几乎为零,但是在数学上,只要是时间足够长,就可以实现。

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比如让一个猴子在键盘上随机敲击,只要时间足够长,它总会敲出一本大英百科全书出来。

一个房间内的空气分子全都聚在一个角落是熵减的过程,这是从无序到有序的过程。

中学物理教给我们:自然状态下,物质只能从有序到无序。而从无序到有序的过程必须借助外力来实现,空调需要电力制冷就是这一体现。

但是物理学家想的并不是这么简单:微观粒子的运动是随机的,在量子力学中还有量子涨落的说法。如果时间足够长,从无序到有序是可以实现的。

问题关键点来了:按照宇宙大爆炸模型,我们的宇宙起源于138.2亿年前的奇点大爆炸。

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奇点是一个无限有序的状态,大爆炸之后,物质经过138亿年的扩散,应该处于均匀分布的状态。也就是说,现有宇宙的物质能量分布应该是均衡的,应该已经处于非常高熵的状态了,但为什么我们宇宙的物质分布极不均匀。

在宇宙背景辐射中,甚至可以看到跨越十几光年的空旷地带,比如波江星座内的宇宙空洞(当然还有暗物质存在的解释)。宇宙的熵如此之低,远不符合预期。

宇宙的低熵状态是怎么来的?

可能有人说:这是因为引力

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但是这不是本质性答案。因为引力是人类通过自然现象归纳出的一般性规律,而并没有解释自然现象本身。

我们先通过生命的起源了解一下熵减的过程。

生命是高度有序的物质结构,如果说从无机物到有机物是分子碰撞的巧合,那么从有机物到DNA,再到按遗传密码合成的蛋白质,再形成细胞,然后是复杂的生命体。(RNA的形成可能来自海底温泉喷发口)

这一切都显得是违反了热力学定律。因为自然居然可以让原本高熵状态的原子和分子通过熵减的形式组合成复杂的生命体。

因为只要时间足够,从无序到有序是可以实现的,毕竟生命的演化也通过了数十亿年。

再回到宇宙的低熵状态,一种合理的猜测就是:宇宙早已到达过高熵状态,并处于热力学平衡,之后高熵状态的宇宙开始大规模熵的涨落。

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宇宙大爆炸后的熵增变化曲线

说白了就是微观粒子之间随机撞击,没有规律可言。

只要时间足够,这些微观粒子的撞击总又会形成低熵的有序状态。

比如黑洞,恒星,行星等等天体就是高度有序的物质构成。

如果无数个涨落形成无数个低熵状态,再以越来越低的熵形成时间连续体。那么我们在某一区域看到的物质就会越来越有序,也就是相互靠近,于是才能总结出物质相互作用的规律,那就是我们眼中的万有引力。

我们的大脑是高度有序的低熵状态产物。宇宙的随机涨落可能会诞生无数个这样的大脑(玻尔兹曼大脑)。

有的大脑在宇宙中只是存在一个瞬间就涨落不见了。

而有的大脑在却在连续涨落中一直保持低熵状态。

而连续保持低熵涨落状态的意识就可能是我们现在的人脑,大脑能连续性思考事物也是涨落的结果。

玻尔兹曼大脑:宇宙中或至少漂浮着7万5千亿亿亿...个意识体

而还有无数个只存在一个瞬间的玻尔兹曼大脑。它们没有时间思考自己为什么会存在,更不会思考热力学定律。

所以从人择原理和幸存者偏差中讲:我们之所以能连续思考,是因为我们本身就是随机而又连续的熵的涨落。

科学家计算过涨落出我们世界的概率是e^(-10^100)。而涨落出玻尔兹曼大脑的概率只有e^(-10^28)

我们现处的宇宙被涨落出的概率低了涨落出玻尔兹曼大脑概率的72个数量级。

我们的宇宙起码有75亿个连续的玻尔兹曼大脑,那么涨落中的玻尔兹曼大脑至少存在75亿×10^72个玻尔兹曼大脑。这只是十分粗浅的计算。

也就是七万五千亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿个玻尔兹曼大脑。而且这还只是连续性玻尔兹曼大脑,还有更多的瞬间玻尔兹曼大脑没有统计。

玻尔兹曼大脑:宇宙中或至少漂浮着7万5千亿亿亿...个意识体

而现处的宇宙已经被涨落出了,如此低概率的事件已经发生,我们没有理由不相信宇宙中存在着概率更高的,类似于我们的大脑的事件被没有被涨落出。

在这么多的玻尔兹曼大脑中,有很多只是涨落瞬间存在过,还有很多是涨落连续存在过,而我们就是连续涨落的玻尔兹曼大脑。

不过我要强调的是:这样的一切都仅仅是思想实验或者是理论上的猜想,并没有具体的证据佐证,因为我们现有的计算机根本就无法模拟如此低概率的猜想。

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