波尔兹曼大脑是假想的产生于混乱中熵的涨落的自我意识。自我意识是一种低熵态。奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼曾提出一个观点：如果已知的低熵态宇宙是来源于熵的涨落，那涨落中也应该会出现许多低熵的自我意识，比如一个孤单的大脑。这种孤单的大脑就被命名为波尔兹曼大脑。
不少宇宙学家认为，从量子真空中向我们虎视眈眈的“玻尔兹曼”大脑是非常、非常可怕的，因为相关的演化模式提示：这些大脑对于宇宙的看法，与我们存在着惊人的差异。
只要被赋予足够的空间和时间，一种有意识的物质就会从真空中突然蹦出来，即使它持续的时间仅为1微秒。
诚然，这类事情是不可思议的，未必真的会发生，但却并非不可能——至少从理论上说是如此。物理学家将这类基于假设的存在，称之为“玻尔兹曼大脑”，它是根据19世纪奥地利物理学家、一位在热力学和统计力学领域作出过重大贡献的先驱者路德维希·玻尔兹曼来命名的。玻尔兹曼提出了宇宙是否可能产生于热涨落的问题；他的着述预示着全新的理念：涨落还可能孕育一种观视宇宙的意识性实体。从这个意义上说，玻尔兹曼大脑不一定是真实的大脑，毋宁说是一种隐喻，用以指称也许会自发出现的宇宙目击者。
乍听之下，这种理念似乎是荒诞不经的，但它正在帮助宇宙学家努力探索宇宙的演化模式以及人类在其中的位置。
宇宙论，包括大部分科学，莫不建立在下述假设之上：在世间万物的宏大天象图中，我们人类是典型的目击者。16世纪的波兰天文学家尼古劳斯·哥白尼主张：地球不过是一块沿着太阳轨道运行的岩石。自从那时以来，人类就被废黜了其在宇宙中独一无二的地位。物理学的诸多定律，无论对我们周遭的世界，抑或对可见宇宙的其他区域，似乎都是普遍适用的。所以，除非有理由以其他方式思维，否则都应假设我们人类才是典型的目击者，这是长期以来被世人视为神圣不可侵犯的观念。“对于我们所做的一切而言，这个假设是绝对必不可少的。”美国马萨诸塞州塔夫茨大学的亚历克斯·维伦金说，“如果不是这样假设的话，那就无法对任何事情作出推论来。”
这是因为：如若不然，无论我们看到什么，都不足以代表整个宇宙的概貌。由此，出现了这样的问题：据某些得到公认的宇宙论演化模式预测，在未来万亿年内，“玻尔兹曼大脑”也许会在数量上大大超过像我们这样维系于千万年进化和生命支持的“普通目击者”。如果真是这样的话，那么，在宇宙的生命历程中成为典型目击者的，可能是那些在冥冥之中窥视着我们的玻尔兹曼大脑，而不是我们人类。不少宇宙学家认为，这些从量子真空中向我们虎视眈眈的大脑是非常、非常可怕的，因为相关的演化模式提示：这些大脑对于宇宙的看法，与我们存在着惊人的差异。
在宇宙长达137亿年的历史中，“玻尔兹曼大脑”基本上连“亮相”一次的机会也没有过。但作为加速宇宙膨胀的因素，却足以使天象图发生变化。
玻尔兹曼大脑崭露其“丑陋的嘴脸”，是在20世纪90年代末。当时，有不少天体物理学家发现：宇宙正在加速膨胀，而不是像多数人预期的那样在逐渐减缓其速度。对于这种“暗能量”的一个可能解释，人们已熟知数十年了：虚空空间可能拥有固有的能量，它有一种排斥效应，一方面推动空间不断膨胀，另一方面迫使物质趋于分离。对于这种效应，人们有不同的叫法，如宇宙常数或真空能量。它何以会存在的原因，是物理学中最难以解开的谜团之一。
不管其起源如何，真空能量是活跃的，而且总在发生着微妙莫测的涨落，偶尔足以转化为颗粒和物质。这里可能会冒出一个光子，那里也许会形成一个原子。这些物体，体积越大，结构越复杂，就越发不大可能显现。一旦等待的时间足够长，就可能冷不防地冒出玻尔兹曼大脑来。“它看起来犹如一个奇迹，”加利福尼亚州斯坦福大学的理论家安德雷·林德说，“却并非完全不可能，只是概率极小而已。”
在宇宙长达137亿年的历史中，玻尔兹曼大脑基本上连“亮相”一次的机会也没有过。但是作为加速宇宙膨胀的因素，却足以使天象图发生变化：它指向一个无穷大的空间，其持续时间也是无穷尽地漫长，而且真空在不断发生着涨落。这将是一个对于传统的智慧生物既冷漠、黑暗，又不甚好客的所在，却是滋生玻尔兹曼大脑的理想之地，这些大脑所看到的只是周围的虚空空间。“波尔茨曼大脑和不可名状的东西，将以某种非常缓慢的速率，从这一真空中蹦出来，但持续的时间却非常漫长。”维伦金说。
宇宙可能产生两种目击者：像我们这样的普通目击者，以及稀奇古怪的玻尔兹曼大脑。宇宙学家面临的问题是：必须证明宇宙演化模式不会允许玻尔兹曼大脑在数量上超越人类。
那么，哪一种目击者更为普遍呢？要弄清楚这个问题，不妨来考察一下暴涨理论，大部分宇宙学家将它视为对宇宙的最佳解释。暴涨理论有一部分是由林德和维伦金在上世纪80年代发展起来的。这一理论认为：我们的宇宙在创世大爆炸后不久，发生了规模巨大的膨胀，并且迅速趋于极度“平滑”和同质，但在早期具有足够的颠簸性，促使物质经过聚合而形成星系和银河系。
许多宇宙学家主张：暴涨继续在宇宙的不同点上发生，这种理论有“永恒暴涨”之称。在下面那幅图像中，存在着一个空间愈趋膨胀的巨大背景，从中持续不断地孕育出新的“袖珍宇宙”来。这些宇宙，有的就像我们置身其中的宇宙那样，经历过短暂的爆炸生长期，然后稳定了下来；有的则可能适用截然不同的物理定律。在这个“多元宇宙”的脚本中，“袖珍宇宙”可能获得无穷大的生长，包含着无穷数目的星系和行星，而玻尔兹曼大脑可能在数量上超过普通的目击者。
为了驾驭这些无穷性，研究人员已着手探索每一种目击者的存在可能性。“我们正在力求解决的，是计算这类脚本中的概率。”加利福尼亚大学伯克利分校的拉斐尔·布索说，“由此产生的泡沫数量是无穷的，它们每一个都是无穷大。所以，必须找到一种办法，对这些无穷性加以比较。玻尔兹曼大脑就是帮助我们思索如何正确看待这种宇宙学的约束性因素之一。”
具有激进意义的解决方案，大多来自加拿大艾伯特大学的唐·佩奇。他认为，我们的宇宙想必有一种自毁机制，在玻尔兹曼大脑可能占据支配地位之前使自身归于毁灭。
事情怎么会是这样的呢？正如真空能量具有可能形成玻尔兹曼大脑的量子涨落一样，能量本身也会发生急颤而“衰变”成更高或更低的能级。在永恒暴涨的过程中，这就是“袖珍宇宙”开始形成的缘由。
这样的衰变，将起到宇宙复位开关的作用，防止宇宙趋于衰老而被玻尔兹曼大脑所占领。佩奇表示，为了使我们的宇宙形成相应的机制，需要从现在开始的200亿年内关注这种衰变。他警告说，如果耽搁的时间过长，我们的宇宙就会急速地趋于膨胀，致使这样的衰变泡沫永远也追赶不上：宇宙的最初残片将会留存下来，永远繁衍着“玻尔兹曼大脑”。虽然这不是急需我们的子孙辈去担忧的事，但这个时间框架可能要比大部分人预期的短得多。
其他研究人员则认为，如果视野更广阔超然一些，就可望达到放逐玻尔兹曼大脑的目的，而不至于使我们的宇宙在尚未成熟的年龄就毁于一旦。他们声称，多元宇宙正在演化出无穷数量、如同我们这样的常规目击者。惟一的问题是，无穷数量的玻尔兹曼大脑也会冷不防地冒出来。不过话得说回来，并非所有的无穷性都是等同的。为了判定谁将赢得竞赛的胜利，物理学家已着手对目击者的计算。“这将是人类奋起抗争的起点。”林德说。
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