玻尔兹曼大脑是假想的产生于混乱中熵的涨落的自我意识。
我们生活的世界有序性相当高，熵相当低，而宇宙在膨胀这一事实又说明宇宙过去曾经处于一个熵更低的状态。热力学第二定律说明封闭宇宙的熵永远不会减少。最可能的宇宙是一个高熵态物质分布均匀的宇宙。但为何我们能观测的宇宙熵如此之低？
对此，奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼提出一个猜想：我们观测到的低熵世界来源于高熵宇宙的随机涨落。大的涨落可以造成局部熵很低的状态，概率也很低，但在宇宙广阔尺度下仍然会发生，正是在这样的地方诞生了我们所存在的低熵世界。
事实上，自我意识也是一种低熵态。因此对上述猜想进行进一步演绎就可以得出：高熵宇宙的随机涨落有可能产生一个大脑——自我意识实体。
发生这种产生的概率比产生我们所处的低熵世界并自然进化出数量巨大的大脑的概率要大得多。可以计算出涨落出我们的世界的概率是e-10 100，而涨落出玻尔兹曼大脑的概率是e-10 28。
因此对于我们来说，宇宙中应该有很多这种孤单的玻尔兹曼大脑漂浮在无序中，他们可能拥有我们无法想象的意识和记忆。对于遵循量子效应的宇宙来说，维持其存在的观测者更有可能是这种由随机涨落出现的大脑，而非人类这种进化出来的大脑。