Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Больцмановский мозг: уникально ли человеческое сознание?

05.10.2015 в 19:30

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?

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.

Больцмана считают одним из создателей статистической физики - на его могиле даже выбита выведенная им знаменитая формула, позволяющая рассчитать физическую величину энтропию как меру упорядоченности системы: S = k * lnW, где S - энтропия, k - постоянная Больцмана (физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией), а W - количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние - это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние - состояние системы в целом.

В качестве примера мы 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 номер 1 два чистых листа, а в папке номер 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 = k * ln 4. а поскольку ln4 = 2*ln2, 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 какого-то объема, в нем все равно постоянно будут появляться виртуальные, существующие бесконечно малое время частицы.

На первый взгляд это явление кажется какой-то физической абстракцией, но вполне материальные подтверждения его реальности уже существуют уже давно - вроде эффекта Казимира (две параллельные зеркальные пластины едва уловимо притягиваются друг к другу - в пространстве между ними рождается меньше виртуальных фотонов, чем снаружи, что создает небольшое избыточное давление. Более того, как считают некоторые физики, именно крошечные квантовые флуктуации определяют многие важные аспекты нашей жизни - подобно тому, как взмах крыла бабочки, скажем, в Буэнос-айресе, через месяц вызовет ледяной дождь в Москве.

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".

Конечно, этот парадокс можно обойти: подогнать вероятности возникновения мозга Больцмана и обычного человеческого мозга в результате длинной цепочки "Большой Взрыв - Эволюция Вселенной - Появление Биомакромолекул - Зарождение Жизни - Биологическая Эволюция" под наше интуитивное желание быть уникальными самосознающими объектами. Такой задачей вполне серьезно занимаются многие ученые - и в том числе сам Андрей Линде, написавший одну из самых цитируемых научных работ этой области.
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.