Энтропийная гравитация

Теория современной физики, описывающая гравитацию как энтропийную силу.

Теория энтропийной гравитации подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона на Земле и на межпланетных расстояниях, но расходится с этой классической природой на межзвездных расстояниях.

Энтропийная гравитация , также известная как эмерджентная гравитация , — это теория в современной физике, которая описывает гравитацию как энтропийную силу — силу с однородностью на макроуровне, но которая подвержена беспорядку на квантовом уровне — а не фундаментальное взаимодействие . Теория, основанная на теории струн , физике черных дыр и квантовой теории информации , описывает гравитацию как возникающее явление, возникающее в результате квантовой запутанности небольших кусочков пространственно-временной информации. Таким образом, считается, что энтропийная гравитация подчиняется второму закону термодинамики , согласно которому энтропия физической системы имеет тенденцию увеличиваться с течением времени.

Эта теория вызвала споры в физическом сообществе, но вызвала исследования и эксперименты для проверки ее достоверности.

Значение

В простейшем случае теория утверждает, что, когда гравитация становится исчезающе слабой (уровни, видимые только на межзвездных расстояниях), она отклоняется от своей классически понимаемой природы, и ее сила начинает линейно убывать по мере удаления от массы.

Энтропическая гравитация обеспечивает основу для объяснения модифицированной ньютоновской динамики , или MOND, которая утверждает, что при пороге гравитационного ускорения примерно1,2 × 10 ^-10  м/с ² , сила гравитации начинает изменяться обратно линейно с расстоянием от массы, а не по обычному закону обратных квадратов расстояния. Это чрезвычайно низкий порог: всего лишь 12 триллионных силы тяжести на поверхности Земли ; Если бы гравитация Земли была такой слабой, объект, упавший с высоты одного метра, падал бы 36 часов. Это также в 3000 раз меньше, чем остаток гравитационного поля Земли, существующий в тот момент, когда «Вояджер-1» пересек гелиопаузу Солнечной системы и вошел в межзвездное пространство.

Теория утверждает, что согласуется как с наблюдениями ньютоновской гравитации на макроуровне, так и с теорией общей теории относительности Эйнштейна и ее гравитационным искажением пространства-времени. Важно отметить, что теория также объясняет (не ссылаясь на существование темной материи и корректировку ее новых свободных параметров ), почему кривые вращения галактики отличаются от профиля, ожидаемого для видимой материи.

Теория энтропийной гравитации утверждает, что то, что интерпретируется как ненаблюдаемая темная материя, является продуктом квантовых эффектов, которые можно рассматривать как форму положительной темной энергии , которая поднимает вакуумную энергию пространства от ее значения в основном состоянии. Центральный принцип теории заключается в том, что положительная темная энергия приводит к вкладу закона теплового объема в энтропию, который превосходит закон площади антидеситтеровского пространства точно на космологическом горизонте .

Таким образом, эта теория дает альтернативное объяснение тому, что основная физика в настоящее время приписывает темной материи . Поскольку считается, что темная материя составляет подавляющую часть массы Вселенной, теория ее отсутствия имеет огромное значение для космологии . Помимо продолжения теоретической работы в различных направлениях, запланировано или проводится множество экспериментов, направленных на фактическое обнаружение или лучшее определение свойств темной материи (помимо ее гравитационного притяжения), все из которых были бы подорваны альтернативным объяснением гравитационных эффектов. в настоящее время приписывают этому неуловимому существу.

Источник

История термодинамического описания гравитации восходит, по крайней мере, к исследованиям термодинамики черных дыр , проведенным Бекенштейном и Хокингом в середине 1970-х годов. Эти исследования предполагают глубокую связь между гравитацией и термодинамикой, которая описывает поведение тепла. В 1995 году Джейкобсон продемонстрировал, что уравнения поля Эйнштейна , описывающие релятивистскую гравитацию, могут быть получены путем объединения общих термодинамических соображений с принципом эквивалентности . ^[1] Впоследствии другие физики, в первую очередь Тану Падманабхан , начали исследовать связи между гравитацией и энтропией . ^{[2] [3]}

Теория Эрика Верлинде

В 2009 году Эрик Верлинде предложил концептуальную модель, описывающую гравитацию как энтропийную силу. ^[4] Он утверждает (аналогично результату Джейкобсона), что гравитация является следствием «информации, связанной с положениями материальных тел». ^[5] Эта модель сочетает в себе термодинамический подход к гравитации с голографическим принципом Джерарда 'т Хофта . Это означает, что гравитация — это не фундаментальное взаимодействие , а возникающее явление , возникающее в результате статистического поведения микроскопических степеней свободы, закодированных на голографическом экране. Статья вызвала неоднозначную реакцию научного сообщества. Эндрю Строминджер , специалист по теории струн из Гарварда, сказал: «Некоторые люди говорят, что это не может быть правильно, другие говорят, что это правильно, и мы уже это знали – что это правильно и глубоко, правильно и тривиально». ^[6]

В июле 2011 года Верлинде представил дальнейшее развитие своих идей в докладе на конференции Strings 2011, включая объяснение происхождения темной материи. ^[7]

Статья Верлинде также привлекла большое внимание средств массовой информации, ^{[8] [9]} и привела к немедленной последующей работе в области космологии, ^{[10] [11]} гипотезе темной энергии , ^[12] космологическому ускорению , ^{[13] [ 14 ] ]} космологическая инфляция , ^[15] и петлевая квантовая гравитация . ^[16] Также была предложена конкретная микроскопическая модель, которая действительно приводит к возникновению энтропийной гравитации в больших масштабах. ^[17] Энтропическая гравитация может возникнуть в результате квантовой запутанности локальных горизонтов Риндлера . ^[18]

Вывод закона гравитации

Закон гравитации вытекает из классической статистической механики, примененной к голографическому принципу , который гласит, что описание объема пространства можно рассматривать как биты двоичной информации, закодированные на границе этой области, замкнутой поверхности области . Информация равномерно распределена по поверхности, причем каждый бит требует площади, равной , так называемой площади Планка , из которой, таким образом, можно вычислить: ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \ell _{\text{P}}^{2}}$ ${\displaystyle N}$

$${\displaystyle N={\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}}$$

длина ${\displaystyle \ell _{\text{P}}}$

$${\displaystyle \ell _{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}$$

универсальная гравитационная постояннаяпостоянная Планка ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \hbar }$ ${\displaystyle N}$

$${\displaystyle N={\frac {Ac^{3}}{\hbar G}}}$$

Теорема статистического равнораспределения определяет температуру системы со степенями свободы в терминах ее энергии так, что: ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle E}$

$${\displaystyle E={\frac {1}{2}}Nk_{\text{B}}T}$$

постоянная Больцманаэквивалентная энергия ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ ${\displaystyle M}$

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

Эффективная температура, возникающая из-за равномерного ускорения в вакуумном поле в соответствии с эффектом Унру , равна:

$${\displaystyle T={\frac {\hbar a}{2\pi ck_{\text{B}}}},}$$

Ньютона : ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle F}$

$${\displaystyle F=ma.}$$

Если принять голографический экран за сферу радиусом , то площадь поверхности будет равна: ${\displaystyle r}$

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

Из алгебраической подстановки их в приведенные выше соотношения можно получить закон всемирного тяготения Ньютона :

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

Обратите внимание, что этот вывод предполагает, что количество двоичных битов информации равно количеству степеней свободы.

$${\displaystyle {\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}=N={\frac {2E}{k_{\text{B}}T}}}$$

Критика и экспериментальные испытания

Энтропийная гравитация, предложенная Верлинде в его оригинальной статье, воспроизводит уравнения поля Эйнштейна и, в ньютоновском приближении, потенциал гравитационных сил. Поскольку ее результаты не отличаются от ньютоновской гравитации, за исключением областей чрезвычайно малых гравитационных полей, проверка теории с помощью наземных лабораторных экспериментов не представляется осуществимой. Эксперименты на космических кораблях, проводимые в точках Лагранжа в нашей Солнечной системе, будут дорогостоящими и сложными. ${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{r}}\ }$

Несмотря на это, энтропийная гравитация в ее нынешней форме подверглась серьезному сомнению по формальным причинам. Мэтт Виссер показал ^[19] , что попытка смоделировать консервативные силы в общем ньютоновском случае (т.е. для произвольных потенциалов и неограниченного числа дискретных масс) приводит к нефизическим требованиям к требуемой энтропии и включает в себя неестественное количество температурных ванн с разными температурами. температуры. Виссер заключает:

Нет никаких разумных сомнений относительно физической реальности энтропийных сил, а также нет разумных сомнений в том, что классическая (и полуклассическая) общая теория относительности тесно связана с термодинамикой [52–55]. Основываясь на работах Джейкобсона [1–6], Тану Падманабхана [7–12] и других, также есть веские основания подозревать, что термодинамическая интерпретация полностью релятивистских уравнений Эйнштейна может быть возможной. Еще предстоит выяснить, являются ли конкретные предложения Верлинде [26] настолько фундаментальными – довольно причудливая конструкция, необходимая для точного воспроизведения ньютоновской гравитации n тел в условиях, подобных Верлинде, безусловно, заставляет задуматься.

Для вывода уравнений Эйнштейна с точки зрения энтропийной гравитации Тауэр Ван показывает ^[20] , что включение законов сохранения энергии-импульса, а также требований космологической однородности и изотропии серьезно ограничивает широкий класс потенциальных модификаций энтропийной гравитации, некоторые из которых уже использовались. обобщить энтропийную гравитацию за пределы сингулярного случая энтропийной модели уравнений Эйнштейна. Ван утверждает, что:

Как показывают наши результаты, модифицированные модели энтропийной гравитации формы (2), если их не уничтожить, должны жить в очень узкой комнате, чтобы гарантировать сохранение энергии-импульса и вместить однородную изотропную Вселенную.

Космологические наблюдения с использованием доступных технологий могут быть использованы для проверки теории. На основании линзирования скоплением галактик Abell 1689 Ньювенхейзен приходит к выводу, что EG полностью исключена, если не будут добавлены дополнительные (темные) материеподобные нейтрино в эВ. ^[21] Команда из Лейденской обсерватории, статистически наблюдая линзирующий эффект гравитационных полей на больших расстояниях от центров более чем 33 000 галактик, обнаружила, что эти гравитационные поля согласуются с теорией Верлинде. ^{[22] [23] [24]} Используя традиционную теорию гравитации, поля, вытекающие из этих наблюдений (а также из измеренных кривых вращения галактик ), можно было бы приписать только определенному распределению темной материи . В июне 2017 года исследование исследователя Принстонского университета Криса Пардо показало, что теория Верлинде не согласуется с наблюдаемыми скоростями вращения карликовых галактик . ^{[25] [a] [26]} Другая теория энтропии, основанная на геометрических соображениях (Количественная геометрическая термодинамика, QGT ^[27] ), обеспечивает энтропийную основу для голографического принципа ^[28] , а также предлагает другое объяснение кривых вращения галактик как обусловленных энтропийному влиянию ^[27] центральной сверхмассивной черной дыры, обнаруженной в центре спиральной галактики.

В 2018 году Чжи-Вэй Ван и Сэмюэл Л. Браунштейн показали, что, хотя поверхности пространства-времени вблизи черных дыр (так называемые растянутые горизонты) действительно подчиняются аналогу первого закона термодинамики, обычные поверхности пространства-времени, включая голографические экраны, обычно не подчиняются, таким образом подрывая ключевое термодинамическое предположение программы возникающей гравитации. ^[29]

В своей лекции 1964 года о взаимосвязи математики и физики Ричард Фейнман описывает родственную теорию гравитации, в которой гравитационная сила объясняется энтропийной силой, возникающей из-за неопределенных микроскопических степеней свободы. ^[30] Однако он сразу же указывает, что полученная теория не может быть правильной, поскольку теорема о флуктуации-диссипации также приведет к трению, которое замедлит движение планет, что противоречит наблюдениям.

Энтропийная гравитация и квантовая когерентность

Другая критика энтропийной гравитации заключается в том, что энтропийные процессы, как утверждают критики, должны нарушать квантовую когерентность . Однако не существует теоретической основы, количественно описывающей силу таких эффектов декогеренции. Температура гравитационного поля в гравитационном колодце Земли очень мала (порядка 10-19 ^К ).

Утверждается, что эксперименты с ультрахолодными нейтронами в гравитационном поле Земли показывают, что нейтроны лежат на дискретных уровнях точно так, как предсказывает уравнение Шредингера , рассматривающее гравитацию как консервативное потенциальное поле без каких-либо декогерентных факторов. Арчил Кобахидзе утверждает, что этот результат опровергает энтропийную гравитацию, ^[31] , в то время как Чайчян и др . предполагают потенциальную лазейку в аргументе в отношении слабых гравитационных полей, например тех, которые влияют на эксперименты на Земле. ^[32]

Смотрите также

• Сила Абрахама – Лоренца  - сила отдачи ускоряющейся заряженной частицы.
• За пределами черных дыр  – Область исследования
• Электрон черной дыры  - гипотетическая концепция в физике.
• Энтропийная сила  - физическая сила, возникающая из термодинамики, а не из фундаментальных взаимодействий.
• Излучение Хокинга  - считается, что тепловое излучение излучается черными дырами из-за квантовых эффектов.
• Список исследователей квантовой гравитации
• Энтропийная эластичность идеальной цепи  - Молекулярная модель описания полимеров
• Гравитация  – Притяжение масс и энергии.
• Индуцированная гравитация  - модель, в которой кривизна пространства-времени и ее динамика проявляются как аппроксимация среднего поля основных микроскопических степеней свободы.Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта

Сноски

1. «Эмерджентная гравитация успешно предсказывает скорости вращения самых маленьких галактик в выборке. Но она предсказывает слишком низкие скорости для более массивных галактик, особенно тех, которые полны газовых облаков. Это несоответствие может создать серьезную проблему для возникающей гравитации, поскольку главным успехом теории до сих пор было предсказание кривых вращения больших галактик». ^[25]

Рекомендации

1. Джейкобсон, Теодор (4 апреля 1995 г.). «Термодинамика пространства-времени: уравнение состояния Эйнштейна». Физ. Преподобный Летт . 75 (7): 1260–1263. arXiv : gr-qc/9504004 . Бибкод : 1995PhRvL..75.1260J. doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1260. PMID  10060248. S2CID  13223728.
2. Падманабхан, Тану (2010). «Термодинамические аспекты гравитации: новые идеи». Реп. прог. Физ . 73 (4): 6901. arXiv : 0911.5004 . Бибкод : 2010RPPH...73d6901P. дои : 10.1088/0034-4885/73/4/046901. S2CID  209835245.
3. Мок, HM (13 августа 2004 г.). «Дальнейшее объяснение проблемы космологической постоянной с помощью дискретного пространства-времени посредством модифицированного голографического принципа». arXiv : физика/0408060 .
4. ван Калмтаут, Мартейн (12 декабря 2009 г.). «Является ли Эйнштейн een beetje achterhaald?». де Фолькскрант (на голландском языке) . Проверено 6 сентября 2010 г.
5. EP Верлинде (2011). «О происхождении гравитации и законах Ньютона». JHEP . 2011 (4): 29. arXiv : 1001.0785 . Бибкод : 2011JHEP...04..029V. doi : 10.1007/JHEP04(2011)029. S2CID  3597565.
6. Прощай, Деннис (12 июля 2010 г.). «Ученый изучает гравитацию». Нью-Йорк Таймс . Проверено 6 сентября 2010 г.
7. Э. Верлинде, Скрытое фазовое пространство нашей Вселенной, Strings 2011, Уппсала, 1 июля 2011 г.
8. Сила энтропии: новое направление гравитации, New Scientist , 20 января 2010 г., выпуск 2744.
9. Гравитация — энтропийная форма голографической информации, журнал Wired Magazine , 20 января 2010 г.
10. Фу-Вэнь Шу; Юнги Гонг (2011). «Равнораспределение энергии и первый закон термодинамики на видимом горизонте». Международный журнал современной физики Д. 20 (4): 553–559. arXiv : 1001.3237 . Бибкод : 2011IJMPD..20..553S. дои : 10.1142/S0218271811018883. S2CID  119253807.
11. Ронг-Ген Цай; Ли-Мин Цао; Нобуёси Ота (2010). «Уравнения Фридмана из энтропийной силы». Физ. Преподобный Д. 81 (6): 061501. arXiv : 1001.3470 . Бибкод : 2010PhRvD..81f1501C. CiteSeerX 10.1.1.756.6761 . doi : 10.1103/PhysRevD.81.061501. S2CID  118462566. 
12. Это из Bit: Как избавиться от темной энергии, Йоханнес Кельман, 2010 г.
13. Иссон; Фрэмптон; Смут (2011). «Энтропийная ускоряющаяся Вселенная». Физ. Летт. Б. _ 696 (3): 273–277. arXiv : 1002.4278 . Бибкод : 2011PhLB..696..273E. doi :10.1016/j.physletb.2010.12.025. С2КИД  119192004.
14. И-Фу Цай; Цзе Лю; Хун Ли (2010). «Энтропийная космология: единая модель инфляции и ускорения позднего времени». Физ. Летт. Б. _ 690 (3): 213–219. arXiv : 1003.4526 . Бибкод : 2010PhLB..690..213C. doi :10.1016/j.physletb.2010.05.033. S2CID  118627323.
15. И Ван (2010). «К голографическому описанию инфляции и генерации флуктуаций на основе термодинамики». arXiv : 1001.4786 [геп-й].
16. Ли Смолин (2010). «Ньютоновская гравитация в петлевой квантовой гравитации». arXiv : 1001.3668 [gr-qc].
17. Ярмо Мякеля (2010). «Заметки Э. Верлинде о происхождении гравитации и законов Ньютона». arXiv : 1001.3808 [gr-qc].
18. Ли, Джэ-Вон; Ким, Хён Чан; Ли, Юнджай (2013). «Гравитация из квантовой информации». Журнал Корейского физического общества . 63 (5): 1094–1098. arXiv : 1001.5445 . Бибкод : 2013JKPS...63.1094L. дои : 10.3938/jkps.63.1094. ISSN  0374-4884. S2CID  118494859.
19. Виссер, Мэтт (2011). «Консервативные энтропийные силы». JHEP . 1110 (10): 140. arXiv : 1108.5240 . Бибкод : 2011JHEP...10..140В. дои : 10.1007/JHEP10(2011)140. S2CID  119097091., появится в JHEP
20. Ван, Башня (2012). «Возвращение к модифицированной энтропийной гравитации». arXiv : 1211.5722 [геп-й].
21. Ньювенхейзен, Теодор М. (5 октября 2016 г.). «Как Цвикки уже исключил модифицированные теории гравитации без темной материи». Fortschritte der Physik . 65 (6–8): 1600050. arXiv : 1610.01543 . doi :10.1002/prop.201600050. S2CID  118676940.
22. «Новая теория гравитации Верлинде прошла первое испытание» . физ.орг . 16 декабря 2016 г.
23. Брауэр, Марго М.; и другие. (11 декабря 2016 г.). «Первая проверка теории возникающей гравитации Верлинде с использованием измерений слабой гравитационной линзы». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 466 (появится): 2547–2559. arXiv : 1612.03034 . Бибкод : 2017MNRAS.466.2547B. doi : 10.1093/mnras/stw3192. S2CID  18916375.
24. «Первое испытание конкурента гравитации Эйнштейна уничтожило темную материю» . Новый учёный . 15 декабря 2016 года . Проверено 20 февраля 2017 г.
25. «Исследователи проверяют пространство-время, чтобы убедиться, что оно состоит из квантовых битов». Журнал Кванта . 21 июня 2017 года . Проверено 11 августа 2017 г.
26. Пардо, Крис (4 декабря 2020 г.) [2 июня 2017 г. (arXiv)]. «Испытание возникающей гравитации на изолированных карликовых галактиках». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2020 (12): 012. arXiv : 1706.00785 . Бибкод : 2020JCAP...12..012P. дои : 10.1088/1475-7516/2020/12/012. ISSN  1475-7516. S2CID  39251260.Доступ к arXiv осуществлен 22 июня 2017 г.
27. Паркер, MC; Джейнс, К. (25 июля 2019 г.). «Максимальная энтропия (скорее всего) двойной спиральной и двойной логарифмической спиральной траектории в пространстве-времени». Научные отчеты . 9 (1): 10779. Бибкод : 2019NatSR...910779P. doi : 10.1038/s41598-019-46765-w. ISSN  2045-2322. ПМК 6658702 . ПМИД  31346186. 
28. Паркер, MC; Джейнс, К. (21 апреля 2021 г.). «Энтропийный принцип неопределенности, статистическая сумма и голографический принцип, выведенные из теоремы Лиувилля». Открытый курс по физике . 7 : 100068. Бибкод : 2021PhyO....700068P. дои : 10.1016/j.physo.2021.100068 . ISSN  2666-0326. S2CID  235090066.
29. Ван, Чжи-Вэй; Браунштейн, Сэмюэл Л. (2018). «Поверхности вдали от горизонтов не являются термодинамическими». Природные коммуникации . 9 (1): 2977. arXiv : 2207.04390 . Бибкод : 2018NatCo...9.2977W. дои : 10.1038/s41467-018-05433-9. ПМК 6065406 . ПМИД  30061720. 
30. Ричард Фейнман (преподаватель) (1964). Связь математики и физики (видеолекция). Фейнман читает лекции «Посланнику». Том. №2. Корнельский университет – через Youtube.
31. Кобахидзе, Арчил (2011). «Гравитация не является энтропийной силой». Физический обзор D . arXiv : 1009.5414 .
32. Чайчян, М.; Оксанен, М.; Туряну, А. (2011). «О гравитации как энтропийной силе». Буквы по физике Б. 702 (5): 419–421. arXiv : 1104.4650 . Бибкод : 2011PhLB..702..419C. doi :10.1016/j.physletb.2011.07.019. S2CID  119287340.

дальнейшее чтение

• Это из бита – Энтропийная гравитация для пешеходов, Дж. Кольман.
• Гравитация: внутренняя история, Ти Падманабхан
• Эксперименты показывают, что гравитация не является новым явлением