Bộ não Boltzmann là một thí nghiệm tưởng tượng ngụ ý rằng khả năng để cho một bộ não hình thành một cách tự phát từ hư vô (với đầy đủ ký ức đã từng tồn tại trong vũ trụ của chúng ta) cao hơn là toàn bộ vũ trụ được hình thành theo cách mà giới vũ trụ học cho rằng đã thực sự xảy ra. Các nhà vật lý sử dụng thí nghiệm tưởng tượng về bộ não Boltzmann như một ví dụ về lập luận phản chứng khi phân tích các giả thuyết khoa học đối lập.Ngược với các thí nghiệm tưởng tượng bộ não trong thùng về nhận thức và suy nghĩ, bộ não Boltzmann được sử dụng trong vũ trụ học và liên quan tới các giả định của chúng ta về nhiệt động lực học và sự phát triển của vũ trụ. Trong một khoảng thời gian đủ lâu, các thăng giáng (dao động) lượng tử có thể khiến cho các hạt vật chất cấu tạo nên một cách tự phát bất kỳ cấu trúc nào với độ phức tạp bất kỳ, thậm chí là một bộ não người với đầy đủ chức năng. Trong thí nghiệm tưởng tượng này, một bộ não Boltzmann là một bộ não được hình thành đầy đủ, với trọn vẹn ký ức của một đời người, và xuất hiện trong trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Bối cảnh này ban đầu chỉ liên quan tới một bộ não đơn lẻ với ký ức giả, nhưng nhà vật lý Sean Carroll đã chỉ ra có khả năng hơn là rằng tất cả các vật thể, ngay cả toàn bộ thế giới và các hệ mặt trời là các đối tượng Boltzmann trong một vũ trụ thăng giáng ngẫu nhiên.[1][2]Ý tưởng này được đặt theo tên nhà vật lý người Áo, Ludwig Boltzmann (1844–1906), người đã xuất bản một giả thuyết vào 1896, nhằm giải thích cho thực tế là vũ trụ không bất trật tự giống như ngành nhiệt động lực học mới nổi dường như đã dự đoán. Ông đã đưa ra một vài giải thích, mà một trong số đó là vũ trụ, ngay cả sau khi nó đã tiến triển tới trạng thái khả dĩ nhất khuếch tán và thiếu nổi bật (hay cân bằng nhiệt động), có thể thăng giáng tự phát tới một trạng thái trật tự hơn (hay entropy thấp) như vũ trụ mà chúng ta đang sống. Bộ não Boltzmann ban đầu được đưa ra như một sự vô lý để phản chứng cho giải thích này của Boltzmann về trạng thái entropy thấp của vũ trụ của chúng ta.[3]Bộ não Boltzmann được chú ý trở lại vào khoảng năm 2002, khi một số nhà vũ trụ học lo ngại rằng trong nhiều giả thuyết về Vũ trụ, những bộ não người có thể xuất hiện từ thăng giáng ngẫu nhiên với khả năng cao hơn nhiều; điều này dẫn đến kết luận rằng, theo thống kê, con người có khả năng đã sai về ký ức của họ trong quá khứ và trên thực tế có thể là các bộ não Boltzmann.[4][5] Khi áp dụng với những giả thuyết gần đây hơn về đa vũ trụ, lập luận bộ não Boltzmann là một phần của vấn đề về độ đo cấu trúc của vũ trụ học chưa được giải quyết.