不得不說,網絡上對于“玻爾茲曼大腦”的解讀看起來越來越“邪乎”,實際上,玻爾茲曼大腦與自我意識體沒有什么關系。玻爾茲曼大腦涉及到的內容主要是熵增(熵減)與熱力學第二定律之間的關系,還有就是:時間到底有沒有箭頭?時間是不是雙向的?
在微觀世界,時間之箭是不存在的,時間沒有方向,或者說時間是可以向前,也可以向后的。
而熱力學第二定律告訴我們,時間只有一個方向,那就是向前,熵只能無情地增加(有序到無序)。
顯然,微觀世界的時間可以向前也可以向后違反了熱力學第二定律。
在現實世界中,任何一個事件發生后,我們把整個事件倒過來播放,也不會違反物理定律。比如說你隨手向上高拋一個球,球到最高點。你把整個過程用手機錄下來,然后倒過來播放,你會發現球從最高點落下來,你會認為這仍舊是很正常的物理現象。
如果你放別人觀看正常的視頻和倒過來播放的視頻,別人根本無法區分哪個是正常播放的視頻,哪個是倒著播放的視頻。
這種現象在量子世界里也是如此,在量子世界里我們同樣無法區分微觀粒子的“正常播放”還是“倒著播放”。
但是熱力學第二定律告訴我們,這種時間的對稱性是不對的。舉個簡單的例子,你不小心把一個生雞蛋打碎了,這是個正常的物理現象。但如果倒過來播放,一個打碎的雞蛋變成了完好無損的生雞蛋,你一眼就能看出問題所在,認為那不可能發生。
問題就來了:宏觀物體都是由微觀粒子組成的,為何微觀粒子有時間對稱的現象,而到了宏觀世界里就沒有了呢?
如果宏觀物體的熱力學屬性確實由微觀粒子展現出來的,如果我們把微觀粒子的運動方向(速度)全部反過來,很明顯這個過程就會出現熵減,結果違反了熱力學第二定律。
玻爾茲曼對這個問題進行了深入思考,最后他甚至提出,所謂的熱力學第二定律并非一個客觀大自然法則,只是具有統計性質。熵,并不總是在增加,相反增加的可能性很大罷了。
現有物理學法則對熵的解釋通常是這樣的,在孤立的系統里,熵總是無情地增加(有序到無序)。但按照玻爾茲曼的詮釋,熵并不一定總是增加,只是增加的概率很大,減小的概率很小罷了。
所以,從概率上講,一個低熵系統幾乎不可能出現熵減,而基本上都會朝著熵增的方向發展。
其實上面的結論已經不是物理定律了,看起來更像是純粹的邏輯關系罷了:我們處在一個低熵系統,當然會朝著高熵演化了!
問題也就來了:所謂的低熵系統,又是從什么狀態演化來的呢?
按照玻爾茲曼的詮釋,無論在什么系統里,高熵出現的幾率很高,相反低熵幾乎不可能出現。按照這種邏輯關系來推理,我們如今所在的低熵系統幾乎肯定是從某種高熵系統中演化出來的。
于是我們就會得出這樣的結論:宇宙一定是朝著熵減方向演化的!
還是回到玻爾茲曼的觀點,如今的低熵宇宙確實是從高熵系統中演化來的,而如今的低熵也必定朝著高熵演化,實際上這就是玻爾茲曼大腦的雛形。
這種觀點與熱力學第二定律相悖了嗎?是,也不是!
所謂的熵增現象其實只是宇宙漫長演化歷史暫時表現出來的現象,一種漲落現象,并不違背熱力學第二定律。
如何理解上面這句話?舉個通俗的例子就明白了。
我們游泳時都會感受到浮力,從微觀層面講,浮力其實是海量的水分子撞擊你的身體產生的。但是從微觀層面講,不同的時間,水分子撞擊到你身體的速度方向,撞擊力還有水分子的數量都是不同的。只不過由于水分子數量實在太大了,以至于我們很難感受到這種差異,體現出來的就是平穩的浮力。
不過如果我們真的有一臺非常精密的儀器,理論上我們就能精確地測量出浮力在上下波動,只是波動非常非常小,這就是所謂的漲落(波動)。
理論上分析,總會有那么一個時刻,所有的水分子都沒有撞擊到你身體上,結果你就會感覺到浮力消失不見了。按照上面的詮釋,這個時刻就是一個最大的漲落。
到這里你應該明白了,大的漲落很難發生,而小的漲落總是會發生。
我們可以用上面的例子描述“相空間”(一個空間來描述一個系統所能呈現的所有狀態,這個空間就是相空間)。在相空間里,低熵狀態所占的部分其實是很小很小的,雖然非常小,但低熵狀態卻可以像面團成為面條那樣,分布在整個碗里。
在大多數時候,宇宙漫長的演化史總是處于高熵狀態(平衡狀態),而且會總是保持這種平衡。但就像剛才舉的例子一樣,偶爾也會出現某種偏離,出現漲落,而且是大的漲落,大到產生了如今的低熵宇宙。
所以,可以看出,我們坐在的低熵宇宙出現的概率是非常小的。但只要時間足夠長,無論多么小,也總是會出現的!
而如果我們所在的低熵宇宙真的是隨機漲落形成的,那么很容易得出:我們的宇宙僅僅是無數個隨機漲落出來的宇宙其中的一個,這些宇宙就像一個個大腦一樣,一個對宇宙現有狀態認知和記憶的大腦,這就是所謂的玻爾茲曼大腦。
玻爾茲曼大腦理論其實是很難成立的,它在邏輯上很難自洽。只不過單純從理論上分析,我們并不能排除我們的宇宙是一個隨機超大漲落的可能性,只不過這種可能性發生的幾率太低太低了。
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