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22 août 2007
par Jean-Paul Baquiastl

Sur les cerveaux de Boltzmann

Voir aussi notre article : Pourquoi les lois fondamentales de la physique paraissent-elles ajustées pour permettre la vie et la conscience ?

Un article récent de Mason Inman, dans le NewScientist du 18 août 2007, p. 20 (voir Spooks in Space ) soulève un curieux problème, qui ne semble intéresser que quelques rares cosmologistes théoriciens du multivers, tels Don Page et Andrei Linde. Il s’agit d’une hypothèse selon laquelle les fluctuations de l’énergie du vide pourraient faire apparaître de façon aléatoire des « observateurs » dits Boltzmann Brains, lesquels pourraient venir en concurrence avec les observateurs humains dans l’observation de l’univers.

Ludwig Eduard Boltzmann

Le concept de cerveau de Boltzmann, ou Boltzmann Brain, dénommé aussi paradoxe du cerveau de Boltzmann (qu’il ne faut pas confondre avec le concept de machine de Boltzmann désignant un certain type de réseaux de neurones) a été développé récemment à partir d’une intuition déjà ancienne due à Ludwig Boltzmann (1844-1906).

Un cerveau de Boltzmann serait une entité consciente née d’une fluctuation aléatoire provenant d’un état fondamental de chaos thermique. Boltzmann ne connaissait évidemment pas la physique quantique. Mais il avait cherché à comprendre pourquoi nous observons un haut degré d’organisation dans l’univers (ou bas niveau d’entropie) alors que la seconde loi de la thermodynamique professe que l’entropie devrait augmenter sans cesse. Dans ce cas, l’état le plus probable de l’univers devrait être proche de l’uniformité, dépourvu d’ordre et présentant par conséquent une entropie élevée.

Boltzmann avait formulé l’hypothèse selon laquelle nous-mêmes et notre univers, nous serions les résultats de fluctuations se produisant au hasard au sein d’un univers à entropie élevée. Même au sein d’un état proche de l’équilibre, on ne peut exclure de telles fluctuations dans le niveau de l’entropie. Les plus fréquentes seraient relativement petites et ne produiraient que de bas niveau d’organisation. Mais occasionnellement, et de façon de plus en plus improbable en fonction de l’élévation du niveau d’organisation, des entités plus organisées pourraient apparaître. Pourquoi n’en observons-nous pas davantage ? Parce que vu les dimensions considérables de l’univers ces entités hautement organisées sont très rares à notre échelle d’espace-temps. De plus, par un effet de « sélection », nous ne voyons que le type d’univers hautement improbable qui nous a donné naissance, et non d’autres éventuellement différents. Il s’agit là de l’application avant la lettre, par Boltzmann, du principe anthropique faible.

La concurrence de niveaux d’organisation moins élevés

Ceci conduit au concept de cerveau de Boltzmann. Si le niveau d’organisation de notre univers, comportant de nombreuses entités conscientes, est le résultat d’une fluctuation au hasard, son émergence est bien moins probable que celle de niveaux d’organisation moins élevés, seulement capables de générer une seule entité consciente, elle-même plutôt rustique. Ces entités devraient donc être d’autant plus nombreuses que serait élevée la probabilité de leur apparition. Ainsi devraient exister des millions de cerveaux de Boltzmann isolés flottant dans des univers faiblement organisés. Il ne s’agirait pas nécessairement de cerveaux tels que nous les connaissons, mais seulement de structures suffisamment organisées capables de jouer le rôle d’observateurs tels que le sont les humains quand ils observent leur univers.

C’est ici que l’on rejoint la science moderne, notamment la cosmologie. Celle-ci postule que ce que nous observons, donnant naissance aux lois de la physique, s’applique à l’univers tout entier. Dans la physique « réaliste », l’univers « en soi », existant indépendamment des observateurs, est donc conforme à ce que nous observons. Pour notre part, dans le présent article, afin prendre en compte la relation entre l’observateur et l’observé introduite par la physique quantique, nous dirions que ce que nous observons décrit un certain type de relations entre l’observateur et l’observé, typique de l’univers tel qu’il nous apparaît. Si nous retenons l’hypothèse constructiviste développée par certains physiciens quantiques, nous irons plus loin. Nous supposerons que ce que nous observons décrit un univers créé par la relation entre l’observateur que nous sommes et l’observé que nos instruments nous permettent de caractériser. Mais dans tous les cas, la position unique d’observateur qui est la nôtre devrait nous permettre d’affirmer que l’univers tel que nous l’observons (ou le construisons) est lui-même unique.

Ce ne serrait plus le cas si, conformément à l’hypothèse des cerveaux de Boltzmann, il existait des myriades d’observateurs observant un univers plus global que celui que nous observons. Ceux-ci pourraient être si nombreux, dans un futur de plusieurs milliards d’années, qu’ils nous remplaceraient en tant qu’observateurs. De ce fait, l’univers que nous avons cru pouvoir décrire perdrait toute pertinence. Des visions du cosmos profondément différentes de celles que nous en avons pourraient remplacer la nôtre. Il ne s’agirait d’ailleurs pas de simples visions virtuelles mais en fait d’univers différents qui se substitueraient au nôtre, si l’on retient l’hypothèse que les univers naissent de l’interaction entre observé et observateur.

Des fluctuations dans l’énergie du vide

Selon Andréi Linde, de Stanford, cité par Mason Inman, ce ne sont plus des fluctuations dans le niveau d’entropie qui généreraient des cerveaux de Boltzmann, mais des fluctuations dans la force répulsive, qualifiée d’énergie noire, constante cosmologique ou énergie du vide. On retrouve là les hypothèses déjà familières relatives à l’énergie du vide. Il est à peu près admis que le vide quantique fluctue puisque par définition, les « particules » qui le peuplent ne peuvent être au repos. Il peut en émerger de façon aléatoire des couples de particules-antiparticules qui s’annihilent, mais aussi des photons voire des atomes qui interagissent avec la matière ordinaire. Rien n’interdit de penser que sur une durée de temps suffisante, puisse se produire une émergence d’objets plus complexes. Il s’agirait de phénomènes très improbables mais non entièrement impossibles.

La probabilité d’apparition d’une entité consciente répondant aux caractéristiques du cerveau de Boltzmann serait si faible qu’aucune d’entre elles, dit-on, n’aurait eu la chance de se matérialiser pendant les 13,7 milliards d’années correspondant à l’histoire de notre univers. Mais si celui-ci s’étend indéfiniment sous la pression de l’énergie noire, sa durée de vie s’étend elle-même sans limites et les chances de voir apparaître des cerveaux de Boltzmann augmentent considérablement. Ces cerveaux, il est vrai, n’observerait plus un univers tel que nous connaissons, mais des espaces uniformes, froids et noirs, inhospitaliers pour nos formes de vie. Alors nos propres intelligences auraient depuis longtemps disparu et la forme d’intelligence incarnée par ces cerveaux dominerait le cosmos entier.

Nous n'évoquerons pas dans ce court article les tentatives des cosmologistes pour qui l’hypothèse des cerveaux de Boltzmann mérite d’être approfondie. Ils s’efforcent de rendre compatible cette hypothèse avec d’autres plus traditionnelles, mettant en scène l’inflation (une inflation éventuellement non limitée dans le temps) et l’émergence de bébés-univers au sein d’un multivers plus général. Nous avons plusieurs fois dans cette revue indiqué notre défiance vis-à-vis de tels modèles, qui pour le moment ne paraissent pas pouvoir être testés expérimentalement.

Les cerveaux de Boltzmann peuvent-ils être déjà parmi nous ?

Mais il nous semble que, plus immédiatement, des hypothèses exploitant le concept des cerveaux de Boltzmann mériteraient d’être formulées. Peut-être même pourrait on essayer de les vérifier. La possibilité de voir émerger, dans notre monde matériel, à partir de l’énergie du vide, des objets complexes pouvant éventuellement prendre la forme d’entités intelligentes ne serait pas à exclure. Le fait que cette émergence soit hautement improbable, sur la trop courte période de 14 milliards d’années, n’interdit pas en effet qu’elle ait pu se produire, au moins une fois. Point n’aurait été pour cela besoin d’attendre des trilliards d’années. Ainsi, si mes chances de gagner à la loterie sont infimes, rien ne m’interdit en termes de probabilités de gagner dès le premier coup, quitte à ce que cette éventualité ne se reproduise plus avant des millions d’années.

Autrement dit, un ou plusieurs cerveaux de Boltzmann, incorporés à des ensembles d’atomes plus ou moins organisés, auraient déjà pu apparaître dans notre monde à partir de l’énergie du vide. Certains d’entre eux se sont peut-être développés dans des parties de l’univers que nous ne connaissons pas ou que nous ne connaîtrons jamais, compte tenu de l’expansion. Pourquoi, de la même façon, ne pas faire l’hypothèse que l’intelligence des systèmes biologiques dont nous sommes des composants puisse être née d’une émergence de cette nature. Dans cette même ligne de conjectures, nous ne pouvons pas exclure la possibilité de voir un cerveau de Boltzmann se matérialiser dans notre monde sous une forme et dans des circonstances que nous n’aurions évidemment pas pu prévoir. Il serait paradoxal que si ce phénomène pour le moins surprenant se produisait sous nos yeux, nous l’attribuions à la manifestation d’un extra-terrestre – voire pour les esprits religieux à un miracle – alors qu’il ne s’agirait que d’une manifestation banale du monde quantique sous-jacent, monde dont nous ne connaissons encore pratiquement rien.

Dans l’article sur les lois fondamentales de la physique, référencé en exergue, nous évoquions plusieurs hypothèses pouvant justifier le fait que ces lois sont ce qu’elles sont. Certaines de ces hypothèses pourraient utilement être rapprochées de celle des cerveaux de Boltzmann telle que présentée dans ce dernier paragraphe du présent article. L’une de ces hypothèses, qualifiée de darwinisme quantique, s’accommoderait très bien du concept de cerveau de Boltzmann. Nous écrivions dans cet article : " Autrement dit, des «bulles d'univers», dotées de temps et d'espace locaux, sont aléatoirement créées (à partir du vide quantique). Certaines sont annihilées, d'autres se développent. On peut faire l'hypothèse que notre univers a été le produit d'une de ces fluctuations. Une particule quantique aurait vu sa fonction d'onde réduite et se serait retrouvée sous la forme d'une particule matérielle ou macroscopique dont les propriétés auraient été favorables à la création de particules plus complexes par « observation » du monde quantique environnant. Des décohérences et des computations en chaîne en auraient résulté, d'où seraient sortis le monde que nous connaissons et les lois d'organisation des objets physiques, biologiques et même mentaux qui régulent son développement."

Dans l’hypothèse du darwinisme quantique, les décohérences en chaînes se seraient produites à partir de l’ « observation » des entités quantiques fondamentales qu’aurait réalisé une première particule matérialisée. On comprendrait mieux les pouvoirs générateurs de cette observation si, à la place d’une particule unique, c’eut été un cerveau de Boltzmann tout armé, c’est-à-dire un observateur disposant déjà d’une organisation matérielle complexe, avec ses règles émergentes, qui aurait observé le monde quantique. Ce cerveau-observateur aurait généré de ce fait notre univers actuel, régulé par les lois que nous connaissons. Ces lois elles-mêmes ne seraient autres que celles selon lequel aurait été organisé (de façon évidemment totalement aléatoire) le cerveau-observateur de Boltzmann originaire du tout premier instant de notre temps et de la toute première particule de notre espace.

Pour en savoir plus
Voir, concernant Boltzmann et l'entropie, un l’article de Wikipedia dont nous nous sommes inspirés. Voir aussi les textes cités en référence.
http://en.wikipedia.org/wiki/Boltzmann_brain
Predicting the Cosmological Constant from the Causal Entropic Principle
par Raphael Bousso, Roni Harnik, Graham D. Kribs, Gilad Perez
http://www.arxiv.org/abs/hep-th/0702115

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