Cerebro de Boltzmann: ¿vivimos en una simulación?

Dado el suficiente tiempo, todo aquello no imposible sucederá.

Que esta frase sirva como punto de partida para una de las especulaciones de la Física más especulativas (valga la redundancia), pero también más espectaculares del mundo. Y es que en un tiempo infinito, todo aquello que pueda suceder, sucederá. Todo. Absolutamente todo.

Y por “todo” se incluye también que, en mitad del espacio, se forme un cerebro en cuyo interior hayan ilusiones de memorias y de sensaciones. Por “todo”, se incluye que tú seas un cerebro flotando en el espacio que se originó hace unos segundos (o años) y que todo lo que creas ver, recordar, experimentar y sentir sea una simulación.

No. No nos hemos vuelto locos. Y no. No estás en una página de ciencia ficción. Estás en una página de ciencia. Y lo que te acabamos de contar no solo es físicamente posible, sino que con los modelos actuales del Universo, es imposible desmentir que esto pueda suceder. Es más. Si el tiempo fuera infinito, sería imposible que estos cerebros cósmicos no se formaran.

Prepárate para que te estalle la cabeza, porque hoy hablaremos de los Cerebros de Boltzmann, unas entidades hipotéticas que podrían generarse por fluctuaciones cosmológicas en un Universo caótico y que abrirían la puerta (más bien, obligarían) a que toda tu vida fuera una simulación dentro de un cerebro que flota por el espacio. Y una vez más: no nos hemos vuelto locos. La ciencia es loca. Y lo vas a descubrir aquí y ahora.

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El lado oscuro de la entropía: el caos del Universo

Antes de entrar en materia y hablar de simulaciones y cerebros que flotan por el espacio, tenemos que ponernos en contexto y entender el principio físico del que deriva esta alocada especulación. Y este principio tiene nombre y apellidos. Bueno, solo nombre: la entropía.

El principio de entropía o segunda ley de la termodinámica nos dice que la cantidad de entropía en el Universo tiende a incrementarse con el tiempo. Pero, ¿qué es la entropía? Es común oír la definición de que la entropía es sinónimo de desorden. Pero esto es sobresimplificar algo que, en realidad, es mucho más complejo.

Hay muchas definiciones distintas de entropía, pero todas giran alrededor de un concepto clave: la entropía es una magnitud (y no una fuerza, ahora lo veremos) que mide el modo en el que un sistema cerrado (aislado) evoluciona hacia el estado estadísticamente más probable. La entropía es una consecuencia de la probabilidad aplicada a la termodinámica. El sentido común aplicado al Universo.

El Universo tiende siempre al desorden y al caos no porque haya una fuerza que empuje hacia este mayor desorden, sino porque simplemente, el desorden es muchísimo más probable que el orden. El Universo tiende a lo más probable. Y como lo más probable es también lo más caótico, decimos (en realidad, de forma incorrecta), que el Universo tiende al desorden.

La entropía es una consecuencia de dos factores que se dan en el Universo: muchísimas (trillones) partículas formando un mismo sistema y aleatoriedad dentro del mismo. El sistema, pues, evoluciona hacia el estado que surge tras la combinatoria más posible.

Que un gas ocupe todo el recipiente en el que se encuentra (como por ejemplo una habitación) y que este esté en un estado de desorden no es una consecuencia de que haya una fuerza que específicamente lo conduzca a hacerlo, sino de la probabilidad.

Hay millones de millones de millones de conformaciones microscópicas de las moléculas del gas que llevan a que, a nivel macroscópico, veamos el gas ocupando toda la habitación; mientras que el hecho de que se acumulen en una esquina responde a muy pocas conformaciones microscópicas.

Es tan infinitamente improbable que, de repente, las moléculas de gas se vayan a una esquina, que no hay tiempo en el Universo para que eso ocurra. Pero, técnicamente, podría pasar. No hay ninguna ley que lo impida. Recuerda que la entropía no es una ley física. Es una ley estadística. Habla de probabilidades.

Y aunque en un tiempo limitado, no sucederá ese estado de mayor orden (tampoco hay una ley física que impida que en medio de un lago se forme, sin que haga frío, un cubito de hielo por simple combinatoria de las moléculas de agua), la entropía puede quebrarse cuando este tiempo tiende al infinito.

Como hemos dicho al principio, dado el suficiente tiempo, todo aquello no imposible sucederá. Y como la entropía no es una ley ni una fuerza, sino una consecuencia de la probabilidad, pueden pasar cosas muy extrañas. Que te ahogues en una habitación porque todo el aire se va a una esquina e, incluso, que un cerebro emerja en medio del espacio. Pero no nos adelantemos.

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Ludwig Boltzmann y la paradoja de la entropía

Como acabamos de ver, que trillones de moléculas se junten, pasando del desorden al orden, para formar una estructura no es físicamente imposible. Es altamente improbable. Increíblemente improbable. Sí. Pero no imposible. Y en un tiempo suficientemente grande, todo aquello no imposible sucederá, recuerda.

Y es el momento de hablar de Ludwig Boltzmann, físico austriaco y padre de la conocida como mecánica estadística que, a finales del siglo XIX, hizo muy importantes aportaciones a la física, especialmente en lo que a la segunda ley de la termodinámica se refiere. Sin ir más lejos, ideó la conocida como constante de Boltzmann, un concepto clave para el cálculo matemático de la entropía.

Por desgracia, Boltzmann se suicidó en septiembre de 1906 y, aunque las causas de ello nunca estuvieron claras, se cree que fue debido al poco reconocimiento académico que sus innovadoras ideas tuvieron. Boltzmann fue un incomprendido que, en parte, fue ridiculizado por la comunidad científica.

Pero, ¿cuáles fueron estas ideas? Nos tenemos que ir al contexto de mediados y finales del siglo XIX. La Teoría del Big Bang ni siquiera era imaginable, por lo que los físicos todavía estaban intentando comprender el origen de nuestro Universo. Y uno de los que se aventuró a dar una visión sobre ello fue Ludgwig Boltzmann, quien, a través de su profundo conocimiento de la termodinámica (y especialmente de la estadística), dio una hipótesis sobre el nacimiento del Universo.

Boltzmann sabía que el Universo tenía que tender al desorden (ya hemos explicado los matices de esto), pues así lo indicaba la entropía. Pero, entonces, ¿por qué nuestro Universo estaba tan bien ordenado en galaxias, estrellas y planetas? Boltzmann consideró que nuestro Universo era excesivamente ordenado. Tenía que ser más caótico.

En este contexto, Boltzmann comunicó a la comunidad científica que el Universo era menos caótico de lo que predecía la segunda ley de la termodinámica que tan bien conocía. Y la conocía tan bien que incluso sabía que, si bien en un tiempo limitado, nunca veremos cómo este principio de entropía se rompe; dado un tiempo ilimitado, sí que puede hacerlo.

Y es aquí donde, como y cuando introduce su teoría sobre el origen de nuestro Cosmos. Boltzmann ideó la hipótesis de que nuestro Universo observable era un estado de excepción aleatoriamente ordenado dentro de un Metauniverso realmente caótico que, en un tiempo infinito, se reunieron las probabilidades para que surgiera una fluctuación menos desordenada: nuestro Universo.

Es decir, según Boltzmann, nuestro Universo procedería de un punto en el tiempo en el que, por haber dado el tiempo suficiente, se quebró la entropía dentro de un Universo mucho más grande y caótico que el nuestro. Nuestro Cosmos sería un estado de excepción (infinitamente improbable pero no imposible) dentro de un sistema verdaderamente caótico: un Universo madre.

Y, pese a que los modelos actuales (básicamente, por lo que sabemos del Big Bang y de la inflación del Universo) nos digan que esto es imposible, la comunidad científica ridiculizó a Boltzmann, algo que, seguramente, hizo que decidiera quitarse la vida con 62 años en Duino, Italia.

Aun así, dentro de este contexto que muestra el lado más oscuro de la ciencia, sucedió algo que abriría la puerta a una de las más espectaculares especulaciones de la historia de la física y, seguramente, de la ciencia.

Arthur Stanley Eddington, astrofísico británico de la primera mitad del siglo XX especialmente conocido por sus trabajos de la teoría de la relatividad, en un intento por mostrar el lado más cómico (seguramente, sin malas intenciones) de la hipótesis de Boltzmann sobre el origen del Universo, encontró el lado más perverso y alocado de su teoría.

Eddington, dijo: “claro, y si en lugar de que se formara un Universo de la nada, ¿no se formara un cerebro que flota por el espacio?”. En este intento de ridiculizar el trabajo del ya fallecido Boltzmann, hizo que aflorara una nueva teoría que sigue pisando fuerte a día de hoy: los cerebros de Boltzmann. Y ahora, sí que sí, prepárate para que tu cerebro estalle. Nunca mejor dicho.

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Los cerebros de Boltzmann: ¿somos una simulación? ¿Existe Dios?

De acuerdo. Quizás la idea de que todo el Universo observable, con sus 93.000 millones de años luz de diámetro y sus 2 millones de millones de galaxias, surgiera como un estado de fluctuación dentro de un Cosmos muchísimo mayor y más caótico es demasiado. Pero, ¿y si lo que surgiera de esta fluctuación no fuera un Universo, sino un cerebro?

Sigue siendo una locura, sí. Pero no podemos negar que, dentro de la casi imposibilidad, que de un estado de caos surja un cerebro es menos imposible que que surja un Universo. Al menos hasta aquí estamos de acuerdo, ¿no?

Y ya hemos dicho que dado el tiempo suficiente, todo aquello no imposible no es que pueda suceder, sino que sucederá. En un tiempo infinito, todo aquello estadísticamente posible (por muy casi imposible que sea) sucederá.

Y es estadísticamente posible que las moléculas de hidrógeno, carbono, silicio, oxígeno, etc, presentes en una nebulosa en medio del espacio adquieran justo la conformación exacta para crear un cerebro. Que no. No insistas. No es imposible. Es “imposible” dentro de nuestra concepción de tiempo. Pero no hay ninguna ley física que impida que un conjunto de moléculas adquieran justo una conformación X.

Y un cerebro es, al final, una simple configuración de moléculas y átomos. Es posible, pues, que dado el tiempo suficiente, surja un cerebro en medio del espacio. Sí. La probabilidad es bajísima. Se habla de que la probabilidad (que es imposible de calcular) de que emerja, por una rotura de la entropía en una porción del espacio y por la combinación justa de moléculas, un cerebro, sería de 10 elevado a 10 elevado a 69. Es un número tan grande que es inimaginable.

Pero es que si hay suficiente tiempo, no es imposible que surja un cerebro en medio del espacio. Es más, si el Universo y el tiempo es infinito, lo que es imposible es que no surja este cerebro. De hecho, con tiempo infinito, es imposible que en medio del espacio, por combinación al azar de moléculas, no surja un plato de macarrones. Así es la física.

Y esta entidad que se ha formado como una fluctuación dentro de un estado caótico del Universo es lo que se conoce como cerebro de Boltzmann. Y si el hecho de que la segunda ley de la termodinámica permita (y obligue, si el tiempo es infinito) que, en medio del espacio, aparezca un cerebro por arte de magia, espera. Hay más.

Y es que según esta teoría, tú serías un cerebro de Boltzmann. Sí. Como lo oyes. Tú serías un cerebro flotando en medio del espacio que ha surgido en algún momento desde el inicio del Universo hasta hace una milésima de segundo. Sí. Podrías haber nacido hace un segundo. O estar naciendo ahora. O… ¡Ahora!

Al final, todo lo que somos, sentimos y percibimos está en nuestro cerebro. No podemos estar seguros de que aquello que nos rodea sea realmente real (valga la redundancia), pues todo tiene su origen en las conexiones neuronales. Desde sentir el olor de una flor hasta recordar memorias. Todo está en el cerebro.

Y si todo es, al final, una ilusión o una interpretación del cerebro y la física permite que los cerebros de Boltzmann existan, dime tú por qué no podrías ser un cerebro flotando por el espacio con una falsa ilusión de memorias y de sensaciones.

Tú podrías ser un cerebro de Boltzmann en el que los átomos, moléculas, proteínas, hormonas, neuronas y neurotransmisores se han ensamblado como una fluctuación casi imposible dentro del Universo que te hace tener recuerdos y sensaciones que solo son reales dentro de este cerebro que vaga por el espacio.

Todo lo que recuerdas podría no haber pasado nunca. Todas aquellas personas a las que conoces podrían ser solo imágenes creadas por el cerebro. Todo el Universo que te rodea podría ser solo una proyección dentro del cerebro de Boltzmann. Tú serías solo un ente que flota por el espacio en cuyo interior se generan unos falsos recuerdos y sensaciones que, al final, es lo que nos hace estar (o sentirnos) vivos.

Todo lo que consideras como tu vida sería una simulación que, cuidado, no ha creado nadie. Una simulación creada por una rotura del principio de entropía que ha hecho que surja un cerebro en medio del espacio. Entonces, existiría Dios. Serías tú. Tú, como cerebro de Boltzmann, serías el Dios del Universo que se está simulando en tu interior.

Recuerda, en un tiempo infinito, todo aquello que no sea imposible sucederá. Y esto no es imposible. Es casi imposible. Pero este “casi” obliga a que, en un marco de tiempo infinito, sea imposible que no haya cerebros de Boltzmann. ¿Y si fueras uno? ¿Y si yo, que estoy escribiendo esto, no existiera o fuera solo una proyección de tu cerebro?

Lo único que sé es que yo existo. Así que soy mi cerebro de Boltzmann. Aunque, claro, podría ser solo una proyección intentando convencerte a ti de que lo soy, cuando, en realidad, el Dios eres tú. Estadísticamente hablando, podríamos ser un cerebro de Boltzmann. Aun así, los científicos creen (esperan) que hay algo en el Universo que impide que esto suceda. Porque, de ser así, la existencia humana sería algo aterrador. Sean Carroll, físico y cosmólogo estadounidense, en un artículo que te dejamos en la sección de referencias, explica por qué estos cerebros no pueden existir.

Seguramente, los cerebros de Boltzmann sean simplemente una paradoja. Pero si la entropía puede romperse (y parece que no haya nada que lo impida), dado el suficiente tiempo, los cerebros de Boltzmann podrían (deberían) existir. Sin duda, algo en lo que pensar cuando vayas a dormir.