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볼츠만 두뇌

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목차

1. 개요

볼츠만 두뇌는 우주의 열적 죽음 상태에서 극히 드문 열변동으로 인해 자발적으로 형성될 수 있는 지적 존재를 가리키는 사고 실험이다. 1896년 에른스트 체르멜로의 열역학 제2법칙에 대한 반박으로 루드비히 볼츠만이 제시한 볼츠만 우주 가설에서 파생되었으며, 아서 스탠리 에딩턴과 리처드 파인만을 거쳐 발전했다. 볼츠만 두뇌는 양자 요동이나 핵생성을 통해 형성될 수 있으며, 현대 우주론에서는 볼츠만 두뇌가 실제 뇌보다 압도적으로 많아야 한다는 계산 결과에 대한 오류를 지적하며, 인지적 불안정성을 초래한다고 비판한다.

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볼츠만 두뇌
볼츠만 뇌
개요
유형무작위 망상과 잘못된 기억을 가진 뇌
최근에 형성되어 지금 막 시작된 올바른 기억을 가진 뇌
문제점관측된 우주는 무작위 변동으로 인해 예상보다 훨씬 크고 조직화되어 있음
인지적 불안정성
역사적 맥락
창시자루트비히 볼츠만
최초 언급1896년
과학적, 철학적 의미
관련 분야우주론
통계 역학
열역학
인식론
철학
추가 정보
다른 이름볼츠만 두뇌

2. 볼츠만 우주

1896년 수학자 에른스트 체르멜로는 열역학 제2법칙이 절대적인 법칙이며, 푸앵카레 재귀정리에 따라 닫힌 계의 엔트로피는 주기 함수 형태를 띠어야 한다고 주장했다.[60][7][36] 이에 루트비히 볼츠만은 체르멜로의 주장에 반박하며 두 가지 이론을 제시했는데, 그중 하나가 "볼츠만 우주" 가설이다. 볼츠만 우주 가설은 우주가 대부분 열죽음 상태에 있지만, 극히 드문 열변동으로 인해 원자들이 서로 부딪히면서 관측 가능한 우주와 같은 하부 구조가 형성될 수 있다고 주장한다.[61][62][8][9][37][38] 볼츠만은 인간이 볼츠만 우주 내부만 관측하는 이유는 지적 생명체가 존재하는 유일한 곳이기 때문이라고 설명하며, 이는 인류 원리의 초기 형태 중 하나로 간주된다.[61][62]

1931년 아서 스탠리 에딩턴은 큰 변동보다 작은 변동이 발생할 확률이 훨씬 높으므로, 볼츠만 우주 내 관측자는 작은 변동에서 발생한 관측자(볼츠만 두뇌)에게 압도될 것이라고 지적했다.[63][10][39] 리처드 파인만은 자신의 저서 《파인만의 물리학 강의》에서 에딩턴의 주장을 더욱 발전시켜, 열변동 속에서 가장 많은 관측자는 특징 없는 우주에서 나타나는 최소한의 "볼츠만 두뇌"일 것이라는 결론을 내렸다.[61][64][8][11][39][40]

3. 볼츠만 두뇌의 자발적 형성

우주가 에르고딕한 "열죽음" 상태에 도달하더라도, 충분한 시간이 주어진다면 무작위적인 입자 변동을 통해 뇌를 포함한 모든 가능한 구조가 형성될 수 있다. 이는 푸앵카레 재귀 시간과 관련이 있다.[61][65][66] 일부 물리학자들은 볼츠만 두뇌가 갑작스럽게 형성되는 것이 아니라, 작은 변동들이 지속적으로 발생하여 뇌가 붕괴되는 과정을 거꾸로 돌린 듯한 방식으로 형성된다고 주장한다.[67][68]

볼츠만 두뇌 사고 실험은 주로 인간의 뇌와 같이 지각 능력을 가진 관찰자 구조 형성에 초점을 맞춘다. 그러나 실제로는 최소 기준을 만족하는 더 작고 단순한 구조가 훨씬 더 흔하게 형성될 가능성이 높다. 이는 스크래블 철자 상자를 흔들 때 완성된 문장이나 문단보다 한 단어가 만들어질 확률이 더 높은 것과 유사하다.[69] 볼츠만 두뇌 형성에는 현재 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이 필요하다. 현대 물리학에서는 양자 요동이나 핵생성을 수반하는 열 요동을 통해 볼츠만 두뇌가 형성될 수 있다고 본다.[61]

3. 1. 양자 요동에 의한 형성

양자역학에 따르면, 볼츠만 두뇌는 진공에서 양자 요동을 통해 10^{10^{50}}년 후에 형성될 수 있다.[70] 이 요동은 진공 에너지가 없는 평평한 시공간인 진정한 민코프스키 진공에서도 발생할 수 있다.[70] 양자역학은 진공에서 최소한의 에너지를 잠시 '빌려오는' 작은 요동을 압도적으로 선호한다.[70]

일반적으로 양자적 볼츠만 두뇌는 진공에서 갑자기 나타나(동등한 양의 가상 반물질과 함께) 하나의 일관된 생각을 잠깐 할 수 있을 만큼만 존재하다가, 나타났을 때처럼 갑자기 진공 속으로 사라진다.[70] 이러한 뇌는 완전히 독립적이며 에너지를 무한히 방출할 수 없다.[70]

3. 2. 핵생성에 의한 형성

현대 증거에 따르면 관측 가능한 우주의 진공은 민코프스키 공간이 아니라, 양의 우주 상수를 가진 드 지터 공간이다.[15][71] 드 지터 공간에서는 공간의 우주론적 지평선에서 방출되는 호킹 복사에서 우연히 합쳐진 비가상 입자의 핵생성을 통해 볼츠만 두뇌가 형성될 수 있다.[70] 핵생성으로부터 볼츠만 두뇌가 생성되기까지는 약 10^{10^{69}}년이 걸린다고 추정된다.[14][70] 핵생성으로 형성된 볼츠만 두뇌는 진공의 우주에서 고립된 다른 물체와 비슷하게 절대 영도 가까이까지 냉각되어 결국 완전히 붕괴된다. 양자 요동과 달리 볼츠만 두뇌는 에너지를 무한대로 방출한다. 핵생성에서 나오는 가장 일반적인 요동은 "볼츠만 두뇌"의 기준이 무엇이든지 간에 전체적으로 열평형 상태와 최대한 비슷하게 나타난다.[8][37][61]

이론적으로 볼츠만 두뇌는 물질이 절대다수인 초기 우주에서 아주 작은 확률로 언제든지 형성될 수 있다.[16][43][72]

4. 현대의 반응

많은 우주론자들은 볼츠만 두뇌가 실제 인간 뇌보다 압도적으로 많아야 한다는 계산 결과에 대해 아직 밝혀지지 않은 오류가 있다고 생각하며, 이는 인지적 불안정성을 초래한다고 주장한다.[61] 숀 M. 캐럴은 "우리는 볼츠만 두뇌의 존재를 주장하는 것이 아니라, 볼츠만 두뇌라는 결론을 피하려 하는 것"이라고 말했다.[65] 캐럴은 뇌가 형성되려면 현재 우주의 나이보다도 훨씬 더 많은 시간이 걸림에도 그보다 더 나이가 어린 우주에 뇌가 존재한다고 생각하기 때문에 실제로 볼츠만 두뇌일 경우 그 기억과 추론 과정을 신뢰할 수 없음을 증명한다고 주장했다.[73] 세스 로이드는 "몬티 파이튼 실험은 실패했다! 그만! 어리석은 일이라고!"라고 말했고, 《뉴 사이언티스트》의 한 저널리스트는 "우주와 그 거동에 대한 이해의 시작점은 실체가 없는 뇌가 아닌 인간이 바로 전형적인 관측자라는 점"이라고 말했다.[74]

일부는 양자 요동을 통해 형성된 뇌, 심지어는 드 시터 공간 진공에서 핵생성을 통해 형성된 뇌는 관측자에 포함되지 않는다고 주장한다. 양자 요동은 무한대에서 환경은 상호작용을 하지 않는다는 등의 간단한 가정을 세워 쉽게 배제할 수 있기 때문에 핵생성보다 양자 요동에서가 배제하기 더 쉽다.[61][70]

캐럴은 양자역학에서의 측정 문제를 더 잘 이해한다면 일부 진공 상태에서는 동적인 변화가 없으며 핵생성된 뇌나 다른 유형의 관측자가 발생할 수 없다고 주장했다.[75] 일부 우주론자들은 홀로그래피 끈 이론에서의 양자 진공에서 자유도를 더 잘 이해할 수 있다면 볼츠만 두뇌 문제를 해결할 수 있다고 주장한다.[76]

브라이언 그린은 "저는 저 스스로가 볼츠만 두뇌가 아니라고 확신합니다. 하지만 우리가 볼츠만 두뇌가 아니라는 이론을 세우고 싶긴 하지만 지금까지 이 문제는 해결하기 매우 어렵다는 것만 밝혀졌습니다."라고 말했다.[77]

4. 1. 단일 우주에서

더시터르 우주에서 어떤 유한한 공간 조각에서 시작했을 때, "정상적인" 관측자의 수는 유한하며 우주의 열죽음으로 그 수가 제한된다.[69] 그러나 이 우주가 영원히 지속된다면 대부분의 모델에서 핵생성으로 만들어진 볼츠만 두뇌의 수는 무한대가 된다. 물리학자 앨런 구스는 "우리가 정상적인 뇌일 가능성은 0으로 무한히 희박해진다"라고 우려했다.[69]

만약 이 우주가 200억 년 이내에 국부적으로 민코프스키 공간으로 붕괴되거나 대함몰로 한계를 가진 반 더시터르 공간으로 변하는 거짓 진공 상태라면 무한한 볼츠만 두뇌의 형성은 피할 수 있다.[78] (단, 평균 국소적인 거짓 진공 붕괴 속도가 200억 년 이상 소요될 경우, 우주의 크기가 국소 진공 붕괴의 사건을 덮는 광추보다 더 크기 때문에 핵생성으로 인한 볼츠만 두뇌는 무한히 형성될 수 있다.)[78] 이 기간 내에 우주를 붕괴시킬 수 있는 이론상의 매커니즘으로는 초중중력미자부터 관측된 것보다 더 무거운 탑쿼크가 "힉스 입자로 인한 붕괴"를 촉발시키는 것까지 다양하다.[78][79][80]

만약 우주 상수가 존재하지 않고 현재 관측되는 진공 에너지가 결국 완전히 소실될 퀸테선스에서 온 것이라면 무한한 핵생성 볼츠만 두뇌의 형성도 피할 수 있다.[81]

4. 2. 영원한 인플레이션에서

볼츠만 두뇌 문제에 대한 해결책 중 하나는 우주론의 측도 문제에 대한 다양한 접근 방식을 이용하는 것이다. 무한 다중 우주론에서 일반적인 관측자와 볼츠만 두뇌의 비율은 무한의 한계를 어떻게 취하느냐에 따라 달라진다. 따라서 볼츠만 두뇌를 피하기 위한 측정 방법을 선택할 수 있다.[82][59][83] 단일 우주와 달리, 영원한 인플레이션에서 전역적 해를 찾는 데 있어 한 가지 과제는 가능한 모든 끈 이론 풍경을 합산해야 한다는 것이다. 일부 측도에서는 심지어 작은 비율의 우주라도 볼츠만 두뇌로 가득 차 있으면 다중 우주 전체의 측도가 볼츠만 두뇌에 의해 지배되게 된다.[66][84]

우주론의 측정 문제는 정상적인 관측자와 비정상적인 초기 관측자의 비율과도 관련이 있다. 극심한 "젊음" 문제를 겪는 고유 시간 측도와 같은 측도에서는 전형적인 관측자가 극도로 뜨겁고 초기 우주에서 드문 변동에 의해 형성된 "볼츠만 아기"이다.[72]

참조

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