Résumé
Le problème des cerveaux de Boltzmann constitue l'une des difficultés technico-philosophiques les plus débattues des modèles cosmologiques contemporains qui postulent des univers éternels ou des multivers durables. Le problème : dans un système stable suffisamment durable, les fluctuations thermiques aléatoires produiront éventuellement des observateurs conscients — des cerveaux pleinement formés avec des souvenirs apparents et des perceptions apparentes — qui viennent brièvement à l'existence puis se dissipent. De tels « cerveaux de Boltzmann » ne sont pas reliés par l'histoire causale au monde qu'ils semblent observer ; leurs souvenirs apparents sont des fluctuations du hasard, non des enregistrements d'événements passés réels. Dans les scénarios cosmologiques durables, le nombre d'observateurs cerveaux de Boltzmann peut largement dépasser le nombre d'observateurs ordinaires à histoire causale. Le résultat : l'observateur typique dans une telle cosmologie est un cerveau de Boltzmann, aux facultés cognitives peu fiables. Au sein du Maslik 2 (Cosmique), le problème affecte l'hypothèse du multivers et certains modèles d'inflation éternelle d'une manière qui contribue à l'argumentation cumulative du cadre pour une évaluation prudente de la cosmologie naturaliste.
L'argument originel de Boltzmann
Ludwig Boltzmann, à la fin du XIXe siècle, faisait face à son propre problème cosmologique : pourquoi l'univers observé a-t-il une entropie si faible ? Selon les principes standard de la mécanique statistique, les états de haute entropie sont largement plus probables que les états de basse entropie. L'état actuel de basse entropie de l'univers (qui rend possible la structure ordonnée, la vie et l'observation) paraît improbable.
La réponse provisoire de Boltzmann : peut-être l'univers est-il beaucoup plus grand et beaucoup plus ancien que ce que nous observons ; peut-être la région observable est-elle une fluctuation de basse entropie relativement rare au sein d'un univers largement plus vaste, principalement à l'équilibre ; peut-être observons-nous une telle fluctuation simplement parce que nous ne pouvons exister dans les régions d'équilibre.
L'objection — d'abord développée par Sir Arthur Eddington puis par des physiciens au XXe siècle — est que cette réponse présente un problème plus grave. Si les fluctuations de basse entropie se produisent aléatoirement dans un vaste univers d'équilibre, alors les fluctuations minimales seraient largement plus communes que la région de basse entropie à grande échelle que nous observons. La plus petite fluctuation de basse entropie suffisante pour l'observation est, approximativement, un seul esprit conscient momentané — une fluctuation produisant une configuration semblable à un « cerveau » capable d'expérience brève.
Par raisonnement combinatoire, les fluctuations de cerveau unique devraient être largement plus nombreuses que les fluctuations de cosmos entier. Si la question est « dans quel type de fluctuation se trouve l'observateur typique ? », la réponse est la plus petite fluctuation suffisante : un cerveau de Boltzmann.
Mais nous semblons observer un univers à grande échelle, structuré causalement, chargé d'histoire. Nous sommes donc soit (a) le type d'observateurs que l'hypothèse de Boltzmann prédit être rares, auquel cas l'hypothèse est empiriquement improbable, soit (b) nous-mêmes des cerveaux de Boltzmann, auquel cas nos observations apparentes sont peu fiables.
L'argument a subi plusieurs raffinements au cours des XXe et XXIe siècles. La structure de base demeure.
La version contemporaine
La cosmologie contemporaine a fait revivre le problème des cerveaux de Boltzmann en relation avec les modèles de multivers à inflation éternelle et certaines cosmologies d'espace de Sitter.
L'inflation éternelle (voir multiverse-hypothesis-and-fine-tuning) est le modèle cosmologique dans lequel l'inflation, une fois commencée, ne se termine jamais globalement. De nouvelles régions en inflation se forment continuellement, produisant un ensemble en expansion perpétuelle (potentiellement infini) d'univers-poches. Une telle cosmologie a une durée illimitée.
Dans ce contexte, l'argument des cerveaux de Boltzmann acquiert une nouvelle force. Même si les fluctuations de cerveaux de Boltzmann sont extraordinairement rares par unité d'espace-temps, un multivers éternel fournit un espace-temps illimité. Le nombre total de cerveaux de Boltzmann peut être illimité ; si le rapport des cerveaux de Boltzmann aux observateurs ordinaires est suffisamment élevé, l'observateur typique dans la cosmologie est un cerveau de Boltzmann.
Ce n'est pas de la spéculation vaine. Des cosmologues incluant Don Page, Andreas Albrecht, Lorenzo Sorbo et Sean Carroll ont abordé le problème de manière extensive dans la littérature technique. Le problème est largement reconnu comme une difficulté réelle pour certains modèles cosmologiques.
Pourquoi le problème importe
Le problème importe à trois niveaux.
Empirico-cosmologique
Au niveau empirico-cosmologique, le problème des cerveaux de Boltzmann est une contrainte sur les modèles cosmologiques viables. Un modèle qui prédit que l'observateur typique est un cerveau de Boltzmann est empiriquement problématique — nous ne semblons pas être des cerveaux de Boltzmann, donc un modèle prédisant que nous devrions l'être est incompatible avec nos observations. Les cosmologues cherchent donc des modèles qui évitent la prédiction des cerveaux de Boltzmann.
Plusieurs stratégies ont été proposées : modèles cosmologiques qui se terminent (évitant le problème de durée illimitée), modèles avec espace de Sitter en déclin (où les fluctuations sont supprimées avant qu'elles ne puissent devenir dominantes), modèles avec choix de mesure spécifiques sur le multivers (privilégiant les observateurs causalement connectés sur les observateurs de fluctuation). Chaque stratégie a des difficultés techniques ; le problème demeure non résolu dans la littérature cosmologique.
Auto-sape
Au niveau philosophique, le problème a une caractéristique d'auto-sape pour la cosmologie naturaliste qui donne lieu au problème.
La chaîne de raisonnement : nous développons des modèles cosmologiques en utilisant nos facultés cognitives. Les modèles cosmologiques prédisent que la plupart des observateurs sont des cerveaux de Boltzmann. Les cerveaux de Boltzmann ont des facultés cognitives peu fiables. Si nous sommes des observateurs typiques, nous sommes des cerveaux de Boltzmann, avec des facultés cognitives peu fiables. Mais si nos facultés cognitives sont peu fiables, nos modèles cosmologiques — y compris ceux prédisant les cerveaux de Boltzmann — ne sont pas eux-mêmes dignes de confiance.
Sean Carroll a été le naturaliste le plus prudent abordant ce problème. Sa réponse (dans From Eternity to Here et travaux techniques ultérieurs) implique des modèles cosmologiques spécifiquement conçus pour éviter la prédiction des cerveaux de Boltzmann. La stratégie consiste à insister que la cosmologie cognitivement fiable requiert une cosmologie dans laquelle la plupart des observateurs ne sont pas des cerveaux de Boltzmann, et à utiliser cela comme contrainte sur le choix théorique.
Cette stratégie est raisonnable mais méthodologiquement significative. Le naturaliste doit imposer des contraintes substantielles sur les modèles cosmologiques pour préserver la fiabilité cognitive nécessaire à faire de la cosmologie. L'imposition est théorico-philosophique, non empirique.
Implications théistes
À un troisième niveau, le problème a des implications pour l'argument plus large du cadre.
L'Argument Évolutionnaire de Plantinga Contre le Naturalisme (AECN ; voir plantinga-reformed-epistemology) soutient que le compte rendu naturaliste des facultés cognitives n'assure pas par lui-même la fiabilité de ces facultés. Le problème des cerveaux de Boltzmann fournit un cas cosmologique spécifique de cette préoccupation générale : certaines cosmologies naturalistes prédisent la non-fiabilité typique des observateurs.
Ce n'est pas un argument définitif contre le naturalisme. Mais cela ajoute de la force au cas plus large du cadre selon lequel la cosmologie purement naturaliste a plus de difficulté à préserver la fiabilité cognitive qu'il n'est parfois reconnu.
La comparaison théiste
En contraste, la cosmologie théiste ne fait pas face au problème des cerveaux de Boltzmann de la même manière.
Dans le théisme, les observateurs sont produits par conception d'histoire causale sous guidance divine, non par fluctuation thermique aléatoire. Les facultés cognitives des observateurs ordinaires suivent la vérité parce qu'elles ont été conçues pour le faire. Le compte rendu de fonction-propre de la garantie (le cadre de Plantinga) préserve la fiabilité cognitive à travers la caractéristique de conception, sans avoir besoin d'assumer que les observateurs ordinaires sont statistiquement typiques de l'ensemble cosmologique entier.
Ce n'est pas, par soi-même, une preuve du théisme. C'est l'observation que le théisme fait face à ce problème spécifique moins acutement que le naturalisme. Comme une pièce du cas cumulatif du cadre, cela importe.
Limites de l'argument
Le cadre aborde ce matériel avec plusieurs limites.
La question technique est véritablement non résolue. Le cadre ne prétend pas que le problème des cerveaux de Boltzmann réfute l'hypothèse du multivers ou le naturalisme. Les cosmologues abordent le problème ; des modèles spécifiques peuvent le résoudre. La position est dynamique.
Toutes les cosmologies naturalistes ne font pas face au problème. Les cosmologies avec durée finie ou avec mécanismes spécifiques de suppression de fluctuation peuvent en principe éviter la prédiction des cerveaux de Boltzmann. Le problème s'applique à des modèles spécifiques, non au naturalisme en général.
Les implications philosophiques sont contestées. Les naturalistes ont offert des réponses substantielles (la stratégie de choix théorique de Sean Carroll, l'imposition de contraintes de fiabilité cognitive sur les modèles cosmologiques). Le cadre présente le problème comme une difficulté réelle sans prétendre qu'elle soit fatale.
La structure de cas cumulatif importe. Le problème des cerveaux de Boltzmann contribue modestement au cas cumulatif pour les difficultés explicatives de la cosmologie naturaliste. Ce n'est pas un argument autonome.
Ce que cet article établit
Contributions :
- Un énoncé clair du problème des cerveaux de Boltzmann dans sa forme cosmologique contemporaine.
- La connexion aux modèles de multivers à inflation éternelle.
- La caractéristique d'auto-sape du problème pour la cosmologie naturaliste.
- L'engagement avec la stratégie de réponse de Sean Carroll.
- La contribution de cas cumulatif du cadre : le problème ajoute une force modeste aux préoccupations plus larges de style AECN.
Limites :
- L'article ne prétend pas que le problème réfute l'hypothèse du multivers.
- L'article n'épuise pas la littérature technique.
Connexions aux autres Masalik
- Maslik 2 (ce maslik) : compagnon de
multiverse-hypothesis-and-fine-tuning,is-fine-tuning-real,quantum-cosmology-and-creation-ex-nihilo,anthropic-principle-weak-and-strong. Le problème des cerveaux de Boltzmann est un exemple spécifique des difficultés plus larges que les modèles de multivers affrontent. - Maslik 1 (Philosophique & Métaphysique) : la connexion à l'AECN. Voir
plantinga-reformed-epistemologyetthe-genetic-fallacy-in-religion-critique. - Maslik 3 (Humain) : la question de la fiabilité cognitive se connecte aux questions plus larges sur la cognition et l'évolution. Voir
evolution-of-moralityetconsciousness-and-physicalism.
Distinctions clés
- Observateur à histoire causale (avec souvenirs fiables d'événements réels) vs. cerveau de Boltzmann (avec souvenirs apparents générés par fluctuation du hasard)
- Modèles cosmologiques prédisant des cerveaux de Boltzmann typiques (problématiques) vs. modèles prédisant des observateurs causaux typiques (préférés)
- L'hypothèse originelle de Boltzmann (grand univers d'équilibre + fluctuations de basse entropie) vs. la version contemporaine (inflation éternelle + fluctuations de Sitter)
- Problème empirico-cosmologique vs. problème philosophique d'auto-sape (les deux niveaux)
- Cosmologie naturaliste (doit imposer des contraintes pour éviter le problème) vs. cosmologie théiste (ne fait pas face au problème de la même manière)
Principaux défenseurs (de la signification du problème)
- Sir Arthur Eddington — formulation précoce
- Don Page — multiples articles techniques
- Andreas Albrecht et Lorenzo Sorbo — « Can the Universe Afford Inflation? » (2004)
- Sean Carroll — From Eternity to Here (2010) ; travail technique extensif
- Sean Carroll et Jennifer Chen — « Spontaneous Inflation and the Origin of the Arrow of Time » (2004)
- Don Page — « The Cosmological Boltzmann Brain Problem » et articles connexes
- William Lane Craig — engagement philosophique
- Robin Collins — aborde les implications
Principaux critiques ou approches alternatives
- Cosmologues proposant des modèles de Sitter en déclin — évitant techniquement la prédiction des cerveaux de Boltzmann
- Cosmologues proposant des modèles de durée finie — similairement
- Don Page (travail plus récent) — propose des choix de mesure spécifiques qui évitent la prédiction
- Certains défenseurs de l'inflation éternelle — soutiennent que le problème des cerveaux de Boltzmann peut être résolu dans le modèle
Lectures complémentaires
- Sean M. Carroll, From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time, Dutton, 2010
- Sean M. Carroll, « Why Boltzmann Brains Are Bad », arXiv:1702.00850, 2017
- Andreas Albrecht et Lorenzo Sorbo, « Can the Universe Afford Inflation? » Physical Review D 70 (2004)
- Don Page, « Is Our Universe Likely to Decay within 20 Billion Years? » Physical Review D 78 (2008)
- Brian Greene, The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos, Knopf, 2011
- Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, Knopf, 2005
- Robin Collins, « The Teleological Argument », dans Blackwell Companion to Natural Theology, 2009
- Alvin Plantinga, Where the Conflict Really Lies: Science, Religion, and Naturalism, Oxford University Press, 2011
- Bernard Carr, éd., Universe or Multiverse?, Cambridge University Press, 2007