Grawitacja entropiczna

Teoria grawitacji entropicznej jest zgodna z prawem powszechnego ciążenia Newtona na Ziemi iw odległościach międzyplanetarnych, ale odbiega od tej klasycznej natury w odległościach międzygwiezdnych.

Grawitacja entropiczna , znana również jako grawitacja wyłaniająca się , jest teorią we współczesnej fizyce, która opisuje grawitację jako siłę entropiczną — siłę o jednorodności w skali makro, która podlega nieporządkowi na poziomie kwantowym — a nie jako fundamentalną interakcję . Teoria, oparta na teorii strun , fizyce czarnych dziur i teorii informacji kwantowej , opisuje grawitację jako zjawisko emergentne , które wynika z kwantowego splątania małych fragmentów informacji o czasoprzestrzeni . Mówi się, że grawitacja entropiczna jest zgodna z drugą zasadą termodynamiki, zgodnie z którą entropia układu fizycznego ma tendencję do wzrostu w czasie.

Teoria była kontrowersyjna w społeczności fizyków, ale zapoczątkowała badania i eksperymenty mające na celu sprawdzenie jej słuszności.

Znaczenie

Mówiąc najprościej, teoria głosi, że kiedy grawitacja staje się zanikająco słaba – poziomy widoczne tylko w odległościach międzygwiezdnych – odbiega od swojej klasycznie rozumianej natury, a jej siła zaczyna maleć liniowo wraz z odległością od masy.

Entropiczna grawitacja dostarcza podstaw do wyjaśnienia zmodyfikowanej dynamiki newtonowskiej lub MOND, która utrzymuje, że przy progu przyspieszenia grawitacyjnego wynoszącym około ^, 1,2 × 10-10 m/s ² siła grawitacji zaczyna zmieniać się odwrotnie liniowo wraz z odległością od masy a nie z odległością od masy. normalne prawo odwrotnych kwadratów odległości. Jest to niezwykle niski próg, mierzący zaledwie 12 bilionów siły grawitacji na powierzchni Ziemi ; obiekt upuszczony z wysokości jednego metra spadałby przez 36 godzin, gdyby grawitacja ziemska była tak słaba. To także 3000 razy mniej niż pozostałość ziemskiego pola grawitacyjnego istniejącego w punkcie, w którym Voyager 1 przekroczył heliopauzę Układu Słonecznego i wszedł w przestrzeń międzygwiezdną.

newtonowskiej grawitacji na poziomie makro, jak i ogólną teorią względności Einsteina i jej grawitacyjnym zniekształceniem czasoprzestrzeni. Co ważne, teoria wyjaśnia również (bez odwoływania się do istnienia ciemnej materii i modyfikowania jej nowych parametrów swobodnych ), dlaczego krzywe rotacji galaktycznej różnią się od profilu oczekiwanego w przypadku widzialnej materii.

Teoria grawitacji entropicznej zakłada, że ​​to, co zostało zinterpretowane jako nieobserwowana ciemna materia, jest produktem efektów kwantowych, które można uznać za formę dodatniej ciemnej energii , która podnosi energię próżni przestrzeni z jej wartości stanu podstawowego. Centralnym założeniem tej teorii jest to, że dodatnia ciemna energia prowadzi do udziału prawa objętości cieplnej w entropii, który wyprzedza prawo obszaru przestrzeni anty-de Sittera dokładnie na horyzoncie kosmologicznym .

Tak więc teoria ta dostarcza alternatywnego wyjaśnienia tego, co fizyka głównego nurtu przypisuje obecnie ciemnej materii . Ponieważ uważa się, że ciemna materia stanowi ogromną większość masy wszechświata, teoria, w której jej nie ma, ma ogromne implikacje dla kosmologii . Oprócz kontynuacji prac teoretycznych w różnych kierunkach, planowanych lub prowadzonych jest wiele eksperymentów mających na celu faktyczne wykrycie lub lepsze określenie właściwości ciemnej materii (poza jej przyciąganiem grawitacyjnym), z których wszystkie zostałyby podważone przez alternatywne wyjaśnienie efektów grawitacyjnych obecnie przypisywana tej nieuchwytnej istocie.

Pochodzenie

Historia termodynamicznego opisu grawitacji sięga co najmniej badań nad termodynamiką czarnych dziur przeprowadzonych przez Bekensteina i Hawkinga w połowie lat siedemdziesiątych. Badania te sugerują głęboki związek między grawitacją a termodynamiką, która opisuje zachowanie ciepła. W 1995 roku Jacobson wykazał, że równania pola Einsteina opisujące relatywistyczną grawitację można wyprowadzić, łącząc ogólne rozważania termodynamiczne z zasadą równoważności . Następnie inni fizycy, w szczególności Thanu Padmanabhan , zaczęli badać powiązania między grawitacją a entropią .

Teoria Erika Verlinde'a

W 2009 roku Erik Verlinde zaproponował model koncepcyjny opisujący grawitację jako siłę entropiczną. Twierdzi (podobnie jak wynik Jacobsona), że grawitacja jest konsekwencją „informacji związanych z położeniem ciał materialnych”. Model ten łączy termodynamiczne podejście do grawitacji z holograficzną zasadą Gerarda 't Hoofta . Oznacza to, że grawitacja nie jest fundamentalną interakcją , ale pojawiającym się zjawiskiem , które wynika ze statystycznego zachowania mikroskopijnych stopni swobody zakodowanych na holograficznym ekranie. Artykuł spotkał się z różnymi reakcjami społeczności naukowej. Andrew Strominger , teoretyk strun z Harvardu, powiedział: „Niektórzy ludzie mówili, że to nie może być prawda, inni, że to prawda i już o tym wiedzieliśmy – że to jest słuszne i głębokie, słuszne i trywialne”.

W lipcu 2011 r. Verlinde przedstawił dalszy rozwój swoich pomysłów w ramach wkładu na konferencję Strings 2011, w tym wyjaśnienie pochodzenia ciemnej materii.

Artykuł Verlinde przyciągnął również dużą uwagę mediów i doprowadził do natychmiastowych dalszych prac w kosmologii, hipotezie ciemnej energii , przyspieszeniu kosmologicznym , inflacji kosmologicznej i pętlowej grawitacji kwantowej . Zaproponowano również konkretny model mikroskopowy, który rzeczywiście prowadzi do grawitacji entropicznej pojawiającej się w dużych skalach. Entropiczna grawitacja może wyłonić się z kwantowego splątania lokalnych horyzontów Rindlera .

Wyprowadzenie prawa grawitacji

Prawo grawitacji wywodzi się z klasycznej mechaniki statystycznej zastosowanej do zasady holograficznej , która mówi, że opis objętości przestrzeni można traktować jako bity informacji binarnej, zakodowane na granicy tego regionu, ${\ displaystyle N}$ zamknięta powierzchnia obszaru ${\ displaystyle A}$ . Informacje są równomiernie rozmieszczone na powierzchni, a każdy bit wymaga obszaru równego , ${\ displaystyle \ ell _ {\ tekst {P}} ^$$zwanemu$ obszarowi Plancka , z którego $displaystyle N}$ można zatem obliczyć:

${\ Displaystyle N = {\ Frac {A} {\ ell _ {\ tekst {P}} ^ {2}}}}$

gdzie ${\ Displaystyle \ ell _ {\ tekst {P}}}$ to długość Plancka . Długość Plancka jest zdefiniowana jako:

${\ Displaystyle \ ell _ {\ tekst {P}} = {\ sqrt {\ Frac {\ hbar G} {c ^ {3}}}}}$

gdzie jest $prędkością$ stałą grawitacji $,$ jest światła i zmniejszoną $.$ Plancka Po podstawieniu w równaniu na znajdujemy: ${\ displaystyle N}$

${\ Displaystyle N = {\ Frac {Ac ^ {3}} {\ hbar G}}}$

$displaystyle$ ekwipartycji statystycznej definiuje temperaturę układu o stopniach swobody wyrażoną w jego energii taką, że: $T$$T}$

${\ Displaystyle E = {\ Frac {1} {2}} Nk _ {\ tekst {B}} T}$

gdzie $_$ stałą . _ Jest to równoważna energia dla masy zgodnie z: ${\ displaystyle M}$

${\ Displaystyle E = Mc ^ {2}}$ .

Efektywna temperatura doświadczana w wyniku równomiernego przyspieszenia w polu próżni zgodnie z efektem Unruha wynosi:

${\ Displaystyle T = {\ Frac {\ hbar a} {2 \ pi ck_ {\ tekst {B}}}}}$ ,

gdzie jest $: za$ przyspieszenie, które dla masy $}$ przypisane sile ${\ displaystyle a$ z drugą zasadą dynamiki Newtona

${\ Displaystyle F = ma}$ .

Przyjmując, że ekran holograficzny jest kulą o promieniu , pole powierzchni byłoby określone wzorem: ${\ displaystyle r}$

${\ Displaystyle A = 4 \ pi r ^ {2}}$ .

Z algebraicznego podstawienia powyższych relacji wyprowadza się prawo powszechnego ciążenia Newtona :

${\ Displaystyle F = m {\ Frac { 2\pi ck_{\text{B}}T}{\hbar }}=m{\frac {4\pi c}{\hbar }}{\frac {E}{N}}=m{\frac { 4\pi c^{3}}{\hbar }}{\frac {M}{N}}=m4\pi {\frac {GM}{A}}=G{\frac {mM}{r^{ 2}}}}$ .

Zauważ, że to wyprowadzenie zakłada, że ​​liczba binarnych bitów informacji jest równa liczbie stopni swobody.

${\ Displaystyle {\ Frac {A} {\ ell _ {\ tekst {P}} ^ {2}}} = N = {\ Frac {2E} {k_ { \text{B}}T}}}$

Krytyka i testy eksperymentalne

$potencjał$ entropiczna, jak zaproponował Verlinde w swoim oryginalnym artykule, odtwarza pola Einsteina i, w przybliżeniu newtonowskim, sił grawitacyjnych. Ponieważ jej wyniki nie różnią się od grawitacji Newtona, z wyjątkiem obszarów o wyjątkowo małych polach grawitacyjnych, przetestowanie teorii za pomocą ziemskich eksperymentów laboratoryjnych nie wydaje się wykonalne. Eksperymenty przeprowadzane na statkach kosmicznych w punktach Lagrange'a w naszym Układzie Słonecznym byłyby kosztowne i trudne.

Mimo to grawitacja entropiczna w jej obecnej formie została poważnie zakwestionowana z przyczyn formalnych. Matt Visser wykazał, że próba modelowania sił zachowawczych w ogólnym przypadku Newtona (tj. dla dowolnych potencjałów i nieograniczonej liczby dyskretnych mas) prowadzi do niefizycznych wymagań dla wymaganej entropii i wiąże się z nienaturalną liczbą kąpieli temperaturowych o różnych temperaturach. Visser konkluduje:

Nie ma uzasadnionych wątpliwości co do fizycznej rzeczywistości sił entropicznych i nie ma uzasadnionych wątpliwości, że klasyczna (i półklasyczna) ogólna teoria względności jest ściśle związana z termodynamiką [52–55]. Opierając się na pracach Jacobsona [1–6], Thanu Padmanabhana [7–12] i innych, istnieją również dobre powody, by podejrzewać, że możliwa jest termodynamiczna interpretacja w pełni relatywistycznych równań Einsteina. Nie wiadomo jeszcze, czy konkretne propozycje Verlinde [26] są choćby w przybliżeniu tak fundamentalne – raczej barokowa konstrukcja potrzebna do dokładnego odtworzenia n -ciałowej grawitacji Newtona w otoczeniu podobnym do Verlinde'a z pewnością daje do myślenia.

Aby wyprowadzić równania Einsteina z perspektywy grawitacji entropicznej, Tower Wang pokazuje, że włączenie zasady zachowania energii i pędu oraz wymagań dotyczących jednorodności kosmologicznej i izotropii poważnie ogranicza szeroką klasę potencjalnych modyfikacji grawitacji entropicznej, z których część została wykorzystana do uogólnienia entropii grawitacji poza pojedynczy przypadek entropicznego modelu równań Einsteina. Wang twierdzi, że:

Jak wskazują nasze wyniki, zmodyfikowane modele grawitacji entropicznej formy (2), jeśli nie zostały zabite, powinny żyć w bardzo wąskim pomieszczeniu, aby zapewnić zachowanie energii i pędu oraz pomieścić jednorodny izotropowy wszechświat.

Obserwacje kosmologiczne przy użyciu dostępnej technologii mogą być wykorzystane do sprawdzenia teorii. Na podstawie soczewkowania przez gromadę galaktyk Abell 1689, Nieuwenhuizen wnioskuje, że EG jest zdecydowanie wykluczone, chyba że zostaną dodane dodatkowe (ciemne) podobne do materii neutrina eV. Zespół z Leiden Observatory , który statystycznie obserwował efekt soczewkowania pól grawitacyjnych w dużych odległościach od centrów ponad 33 000 galaktyk, odkrył, że te pola grawitacyjne były zgodne z teorią Verlinde. Korzystając z konwencjonalnej teorii grawitacji, pola wynikające z tych obserwacji (a także ze zmierzonych krzywych rotacji galaktyk ) można było przypisać jedynie określonemu rozkładowi ciemnej materii . W czerwcu 2017 roku badanie przeprowadzone przez Princeton University, Krisa Pardo, wykazało, że teoria Verlinde jest niezgodna z obserwowanymi prędkościami obrotowymi galaktyk karłowatych . Inna teoria entropii oparta na rozważaniach geometrycznych (Quantitative Geometrical Thermodynamics, QGT) dostarcza entropicznej podstawy dla zasady holograficznej, a także oferuje inne wyjaśnienie krzywych rotacji galaktyk, które wynikają z entropicznego wpływu centralnej supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki. galaktyka spiralna.

Sabine Hossenfelder argumentuje, że „należy interpretować te badania [porównując badania grawitacyjne ciemnej materii z EG] z ostrożnością”, ponieważ „należy dokonać przybliżeń, aby dojść do [testowanego równania EG]” i nie jest jeszcze jasne, że przybliżenia same w sobie są poprawne.

W 2018 roku Zhi-Wei Wang i Samuel L. Braunstein wykazali, że podczas gdy powierzchnie czasoprzestrzenne w pobliżu czarnych dziur (zwane rozciągniętymi horyzontami) są zgodne z analogią pierwszej zasady termodynamiki, zwykłe powierzchnie czasoprzestrzenne - w tym ekrany holograficzne - na ogół nie, a zatem podważając kluczowe założenie termodynamiczne programu grawitacji wschodzącej.

W swoim wykładzie z 1964 r. Na temat relacji matematyki i fizyki Richard Feynman opisuje pokrewną teorię grawitacji, w której siła grawitacji jest wyjaśniona siłą entropiczną spowodowaną nieokreślonymi mikroskopijnymi stopniami swobody. Od razu jednak zwraca uwagę, że wynikająca z tego teoria nie może być poprawna, ponieważ twierdzenie o fluktuacji-dyssypacji prowadziłoby również do tarcia, które spowalniałoby ruch planet, co jest sprzeczne z obserwacjami.

Grawitacja entropiczna i spójność kwantowa

Inną krytyką grawitacji entropicznej jest to, że procesy entropiczne powinny, jak argumentują krytycy, łamać spójność kwantową . Nie ma jednak ram teoretycznych opisujących ilościowo siłę takich efektów dekoherencji. Temperatura pola grawitacyjnego w ziemskiej studni grawitacyjnej jest bardzo mała (rzędu 10-19 ^K ).

Uważa się, że eksperymenty z ultrazimnymi neutronami w polu grawitacyjnym Ziemi pokazują, że neutrony leżą na dyskretnych poziomach dokładnie tak, jak przewiduje równanie Schrödingera, biorąc pod uwagę grawitację jako konserwatywne pole potencjalne bez żadnych czynników dekoherentnych. Archil Kobakhidze argumentuje, że ten wynik obala grawitację entropiczną, podczas gdy Chaichian i in . sugerują potencjalną lukę w argumentacji w słabych polach grawitacyjnych, takich jak te, które wpływają na eksperymenty na Ziemi.

Zobacz też

• Siła Abrahama-Lorentza - siła odrzutu działająca na przyspieszającą naładowaną cząstkę spowodowana przez cząstkę emitującą promieniowanie elektromagnetyczne Strony wyświetlające opisy danych wiki jako rozwiązanie awaryjne
• Poza czarnymi dziurami – Obszar badań
• Elektron czarnej dziury – Hipotetyczna koncepcja w fizyce
• Siła entropiczna – Siła fizyczna, która pochodzi z termodynamiki, a nie z fundamentalnych oddziaływań
• Promieniowanie Hawkinga - Promieniowanie cieplne emitowane poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury
• Lista badaczy grawitacji kwantowej
• Elastyczność entropiczna idealnego łańcucha – Molekularny model opisu polimerów
• Grawitacja – Przyciąganie mas i energii
• Indukowana grawitacja - model, w którym krzywizna czasoprzestrzeni i jej dynamika wyłaniają się jako średnie przybliżenie pola podstawowych mikroskopijnych stopni swobody Strony wyświetlające opisy danych wiki jako rozwiązanie awaryjne

Dalsza lektura

• It from bit – Grawitacja entropiczna dla pieszych , J. Koelman
• Grawitacja: wewnętrzna historia , T. Padmanabhan
• Eksperymenty pokazują, że grawitacja nie jest zjawiskiem wschodzącym