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我们相信记忆，因为它们感觉自然；我们相信时间，因为它似乎只朝着一个方向流逝。然而，物理学却允许一些更奇特的可能性，挑战着这种直觉。图片来源：《光与色原理》，1878年。由史密森尼图书馆和档案馆提供。
在一项新的研究中，SFI教授大卫·沃尔珀特、SFI分形理论研究员卡洛·罗韦利和物理学家乔丹·沙恩霍斯特对物理学和宇宙学中一个著名且令人不安的观点——“玻尔兹曼大脑”假说——进行了全新的审视。该假说认为，我们的记忆、感知和观察可能根本不反映真实的过去。相反，它们可能是熵增随机形成的，从而呈现出一种从未真正发生过的连贯历史的假象。
这个谜题源于统计物理学中一个深刻的矛盾。理解时间为何似乎只朝着一个方向流动，关键在于理解玻尔兹曼H定理。该定理是统计力学的核心原理，与热力学第二定律紧密相关。热力学第二定律解释了熵为何随时间增加，从而赋予我们过去和未来的概念。
然而，H定理本身具有时间对称性，这意味着它并不偏向任何特定的时间方向。这带来了一个令人惊讶的推论。从严格的形式主义角度来看，构成我们记忆和观察的模式更有可能源于随机的熵增，而非源于过去事件的真实序列。简而言之，物理学似乎允许这样一种可能性：我们的记忆并非可靠的记录，而是由偶然因素产生的精细幻觉。这种令人不安的观点正是玻尔兹曼大脑假说的核心。
关于时间的假设如何影响辩论
为了更好地理解这个问题，研究人员构建了一个正式的框架，用于检验不同的假设如何影响关于熵和记忆的结论。他们的研究将玻尔兹曼大脑假说、热力学第二定律以及相关的“过去假说”（该假说假设宇宙起源于低熵状态）联系起来。
一个关键问题是，在分析熵的演化时，哪些时间点被视为固定不变的。一些方法将宇宙的当前状态视为既定事实，并以此为基础向外推演。另一些方法则假设宇宙大爆炸时处于低熵状态。重要的是，物理定律并未明确指出哪种观点是正确的，这为解释留下了空间。
熵与记忆论证中的循环论证
这项研究引入了作者所谓的“熵猜想”，旨在揭示许多现有论证中的一个关键问题。他们指出，关于熵、时间和记忆的讨论常常依赖于微妙的循环论证。在这些情况下，关于过去的假设被用来支持结论，例如记忆的可靠性或熵增加的方向。而这些结论反过来又被用来证明最初的假设是正确的。
研究人员并未试图终结争论，而是专注于揭示这些隐藏的结构。通过将物理定律的作用与我们用来解释这些定律的假设区分开来，这项研究为我们思考围绕时间、熵和记忆本质的长期存在的问题提供了一种更为透明的方式。
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