"볼츠만 뇌"의 신비화: 우리가 살고 있는 세계는 객관적으로 현실인가, 가상인가?

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환상과 현실의 관계에 대한 질문은 광범위한 분야를 포괄하며, 우리 자신의 의식 속에서 진실과 거짓의 구분이 모호해진다. 심지어 볼츠만(Boltzmann)조차도 인간이 의식을 가질 수 있다면, 우주에는 왜 다른 자의식을 가진 개인이 존재할 수 없다고 제안한 적이 있다.

이런 의식은 볼 수도 만질 수도 없으며, 특별하고 신비로운 '통 속의 뇌'라는 개념처럼 진짜와 거짓을 구별하기 어렵다.

그렇다면 "통 속의 뇌"의 개념은 무엇입니까?

1981에서 미국 과학자 퍼트넘 (Putnam)은 통의 뇌라는 유명한 가설을 제안했습니다. 상상해 보십시오: 사람의 뇌를 통째로 꺼내어 특수 영양 용액에 넣은 다음 컴퓨터에 연결하면 감각 신호를 프로그래밍하여 감각 신호를 보낼 수 있으며, 잠재적으로 뇌가 여전히 살아 있고 정상적으로 기능하고 있다는 환상을 만들 수 있습니다.

그런 컴퓨터 프로그램에서는 모든 것이 평소와 같고, 그의 친구들은 여전히 그에게 말을 걸고 있는 것 같고, 그의 부모는 여전히 그를 사랑하고, 그의 연인은 여전히 그를 사랑하고, 실제 생활처럼 보이는 모든 것은 실제로 컴퓨터 제어의 산물일 뿐입니다......

이는 우리가 살고 있는 실제 공간이 현실이 아닐 수도 있다는 생각을 암시하는 듯하다.

볼츠만은 누구인가?

본명이 루드비히 볼츠만(Ludwig Boltzmann)인 볼츠만은 1844년 비엔나에서 태어났으며 오스트리아의 유명한 물리학자이자 철학자이며 열역학 및 통계 물리학의 창시자 중 한 명입니다.

볼츠만은 맥스웰의 분자 운동 이론을 발전시켜 물리 시스템의 엔트로피를 확률과 연결시켰을 뿐만 아니라 열역학 제2법칙의 통계적 성격을 명확히 하고 에너지 균등화 이론을 제안했습니다. 1877에서 그는 기체가 비평형에서 평형으로 변하는 과정을 설명하기 위해 볼츠만 방정식을 확립하고 0에서 유명한 볼츠만 엔트로피 공식을 제안했습니다.

그러나이 뛰어난 과학자는 1906 년 만에 자살로 생을 마감했으며 현재 비엔나 중앙 묘지에 묻혀 있습니다.

우선, 이른바 엔트로피 증가 원리를 이해합시다.

사실, 돌이킬 수 없는 과정을 설명하는 열역학 제2법칙의 또 다른 표현입니다. 간단히 말해서 열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 자발적으로 전달될 수 없습니다.

우주적 규모에서 이 과정은 우주가 시간이 지남에 따라 질서 정연한 상태에서 무질서한 상태로 진화하는 과정이며, 이 과정은 엔트로피가 증가하는 과정이기도 합니다. 우주를 닫힌 체계로 생각하면 내부 엔트로피가 증가함에 따라 우주의 무질서도 증가할 것, 즉 우주의 질서가 끊임없이 해체될 것입니다.

이러한 발전이 계속된다면, 우주는 결국 완전히 균일한 열적, 동적 평형 상태에 도달하게 될 것이고, 은하와 행성은 더 이상 우주에 존재하지 않게 될 것이며, 생명체는 불가능해질 것이다.

그렇다면 볼츠만의 뇌의 역설은 어떠한가?

물리학에서 시간의 흐름은 물리 법칙의 확립에 영향을 미치지 않습니다. 엔트로피 증가의 원리는 또한 엔트로피가 방향성이며 시간에 따라 역전될 수 없다고 명시하고 있으며, 그렇지 않으면 이 법칙을 위반하게 됩니다.

우주에서 인간의 존재는 자연의 법칙을 위반하는 것처럼 보이는데, 그 이유는 인간은 태어날 때부터 엔트로피가 증가하는 과정을 늦추기 위해 끊임없이 음식을 먹어 왔기 때문입니다. 따라서 볼츠만은 지구와 같이 고도로 질서 정연하고 낮은 엔트로피 상태를 가진 우주는 엔트로피의 무작위적인 변동에서 비롯될 수 있다고 제안했다. 그러므로 우주에는 낮은 엔트로피 상태에 있는 자의식을 가진 존재가 많이 존재해야 한다.

변동은 시스템이 평형 상태에서 벗어나 위아래로 변동하는 과정을 말하며, 변동 진폭이 클수록 확률이 작아집니다. 시스템이 클수록 변동이 발생할 가능성이 줄어듭니다. 확률적으로는, 원숭이에게 충분한 시간 동안 타자기를 주면 확률은 극히 낮지만 셰익스피어의 전체 작품을 타자화할 수 있을 것이라는 추측이 있습니다.

볼츠만 뇌는 우주의 원자가 모여 하나의 뇌를 형성하는 개념이며, 이 고립된 뇌를 소위 "볼츠만 뇌"라고 합니다. 다시 말해, 충분히 길기만 하다면 어떤 일이든 일어날 수 있습니다.

문제는 우주의 초기 낮은 엔트로피 상태가 어디에서 왔는가 하는 것입니다.

열역학 제2법칙은 우주가 처음에는 낮은 엔트로피 상태였다는 것을 말해준다. 엔트로피는 우주가 시작된 이래로 증가해 왔습니다. 그러나 그것은 원래의 낮은 엔트로피 우주가 어떻게 생겨났는지를 말해주지는 않는다.

볼츠만은 더 나아가 우주의 대부분의 시간은 높은 엔트로피 상태에 있다고 제안했다. 때때로, 그것은 변동으로 인해 평형에서 벗어나 결국 평형 상태로 돌아갑니다. 우리의 낮은 엔트로피 우주는 그러한 매우 낮은 확률의 변동에 의해 창조되었다. 우주는 실제로 편차 상태에서 평형으로 돌아가는 과정에 있기 때문에 우주의 엔트로피가 증가하고 있는 것처럼 보입니다. 그러나 현실은 우리 우주가 이 상태에 있을 확률은 극히 낮다는 것입니다.

그러나 우주가 여러 부분으로 나뉘어 있다면 아마도 작은 부분만 변동할 것입니다. 이러한 방식으로 변동 확률이 크게 증가합니다. 즉, 우리가 관찰할 수 있는 우주 바깥에는 열사(heat death) 상태에 있는 우주의 광대한 지역이 있을 수 있습니다. 볼츠만의 뇌 이론이 19세기에 제안되었을 때 빅뱅 이론은 아직 탄생하지 않았으므로 볼츠만의 아이디어는 대부분 배제될 수 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다.