[论文解读] Are there Boltzmann brains in the vacuum

Matthew Davenport, Ken D. Olum|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2010

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文研究了玻尔兹曼大脑——由量子真空涨落产生的自组织意识实体——是否可能存在于 de Sitter 或 Minkowski 时空之中，认为由于其相对于普通观测者的无限数量，这构成了严重的人类学问题。作者发现，基于真空的玻尔兹曼大脑本质上是不物理的：它们是可逆的、非退相干的，且无法与外部世界相互作用，从而导致一个悖论，即其存在与‘我思故我在’（Cogito）相矛盾。本文结论认为，目前尚无一致的框架能够解决是否应将此类大脑纳入人类学参考类的问题。

ABSTRACT

"Boltzmann brains" are human brains that arise as thermal or quantum fluctuations and last at least long enough to think a few thoughts. In many scenarios involving universes of infinite size or duration, Boltzmann brains are infinitely more common than human beings who arise in the ordinary way. Thus we should expect to be Boltzmann brains, in contradiction to observation. We discuss here the question of whether Boltzmann brains can arise as quantum fluctuations in the vacuum. Such Boltzmann brains pose an even worse problem than those arising as fluctuations in the thermal state of an exponentially expanding universe. We give several arguments for and against inclusion of vacuum Boltzmann brains in the anthropic reference class, but find neither choice entirely satisfactory.

研究动机与目标

• 评估在 de Sitter 或 Minkowski 时空中的量子真空涨落是否可产生玻尔兹曼大脑，并将其视为人类学推理中有效观测者的可能性。
• 研究将基于真空的玻尔兹曼大脑纳入人类学参考类所导致的物理与认识论后果。
• 分析时间可逆性与缺乏退相干性对这类大脑存在性与身份的影响。
• 评估是否应将真空玻尔兹曼大脑排除在参考类之外，是否会引发更严重概念性问题，例如违反‘我思故我在’或需要未来知识才能确定观测者身份。

提出的方法

• 分析 de Sitter 空间中真空涨落的量子力学过程，其中由于 Bunch-Davies 真空态，粒子-反粒子对可被产生。
• 考虑通过此类涨落形成复杂、自洽的构型（如大脑）的可能性，假设时间演化为幺正且可逆。
• 应用可逆计算的 gedanken 实验，在延迟选择双缝实验中建模一种假设的观测者，其‘撤销’自己的思想，以模拟基于真空的玻尔兹曼大脑。
• 使用人类学推理，比较在不同参考类假设下，成为普通观测者与成为基于真空的玻尔兹曼大脑的概率。
• 使用退相干性、与外部世界通信的能力以及通过图灵测试的能力等标准，评估包含或排除此类大脑的后果。
• 考察真空态的时间反演对称性，表明此类大脑在自身宇宙中对时间方向有 50% 的可能性产生误解。

实验结果

研究问题

• RQ1 玻尔兹曼大脑是否可能作为 Minkowski 或 de Sitter 时空真空中的量子涨落而产生？
• RQ2 如果此类基于真空的玻尔兹曼大脑存在，是否应将其纳入人类学观测者参考类？
• RQ3 将基于真空的玻尔兹曼大脑纳入人类学推理中，会产生哪些物理与认识论后果？
• RQ4 真空态的时间可逆性如何影响此类大脑的身份与体验？
• RQ5 将基于真空的玻尔兹曼大脑排除在参考类之外，是否违反‘我思故我在’或导致观测者选择概率的不一致？

主要发现

• 由真空涨落产生的玻尔兹曼大脑本质上是非退相干且可逆的，意味着它们无法与外部世界相互作用或进行通信。
• 此类大脑无法通过图灵测试，因为它们与环境无因果联系，也无法留下其存在的记录。
• 从全局观测者的角度看，这些大脑根本不存在——只有真空波函数是真实的，因此其物理实在性值得怀疑。
• 真空的时间可逆性意味着，此类大脑在自身宇宙中对时间方向有 50% 的可能性产生误解。
• 将基于真空的玻尔兹曼大脑纳入人类学参考类，会导致荒谬结论：我们应预期自己就是此类大脑，这与观测结果和‘我思故我在’相矛盾。
• 将其排除则导致概念上的不一致，因为无法在退相干发生后很久之前确定一个观测者是否应被计入。