Энтропийная гравитация

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 примерно 1,2 × 10 ⁻¹⁰ РС ² , сила гравитации начинает меняться 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» Солнечной системы пересек гелиопаузу и вошел в межзвездное пространство.

на макроуровне, Теория утверждает, что согласуется как с наблюдениями ньютоновской гравитации 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 именно в точкеКосмологический горизонт .

Таким образом, эта теория дает альтернативное объяснение тому, что основная физика в настоящее время приписывает темной материи . Поскольку считается, что темная материя составляет подавляющее большинство массы Вселенной, теория, в которой она отсутствует, 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

Термодинамическое описание гравитации имеет историю, которая 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 . Впоследствии другие физики, в первую очередь Тану Падманабхан , начали исследовать связи между гравитацией и энтропией .

Теория Эрика Верлинде

В 2009 году Эрик Верлинде предложил концептуальную модель, описывающую гравитацию как энтропийную силу. Он утверждает (аналогично результату Джейкобсона), что гравитация является следствием «информации, связанной с положением материальных тел». Эта модель сочетает в себе термодинамический подход к гравитации с 'т Хофта Жерара голографическим принципом . Это подразумевает, 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 , струнный теоретик 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».

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

Статья Верлинде также привлекла большое внимание средств массовой информации. и привело к немедленной последующей работе в космологии, гипотеза темной энергии , космологическое ускорение , космологическая инфляция , и петлевая квантовая гравитация . Кроме того, была предложена конкретная микроскопическая модель, которая действительно приводит к возникновению энтропийной гравитации в больших масштабах. Энтропическая гравитация может возникнуть в результате квантовой запутанности локальных горизонтов Риндлера .

Вывод закона гравитации

Закон гравитации выведен из классической статистической механики, примененной к голографическому принципу , который гласит, что описание объема пространства можно рассматривать как $N$ биты двоичной информации, закодированные на границе этой области, замкнутой поверхности области. $A$. Информация равномерно распределена по поверхности, причем каждому биту требуется площадь, равная $\ell _{\text{P}}^{2}$, так называемая площадь Планка , из которой $N$ таким образом можно вычислить: $$N={\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}$$где $\ell _{\text{P}}$ — планковская длина . Планковская длина определяется как: $$\ell _{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}$$где $G$ — универсальная гравитационная постоянная , $c$ это скорость света, а $\hbar$ – приведенная постоянная Планка . При подстановке в уравнение для $N$ мы находим: $$N={\frac {Ac^{3}}{\hbar G}}$$

Теорема статистического равнораспределения определяет температуру $T$ системы с $N$ степеней свободы по энергии $E$ такой, что: $$E={\frac {1}{2}}Nk_{\text{B}}T$$где $k_{\text{B}}$ — постоянная Больцмана . Это эквивалентная энергия массы $M$ в соответствии с: $$E=Mc^{2}.$$

Эффективная температура, возникающая из-за равномерного ускорения в вакуумном поле в соответствии с эффектом Унру, равна: $$T={\frac {\hbar a}{2\pi ck_{\text{B}}}},$$где $a$ это то ускорение, которое для массы $m$ было бы приписано силе $F$ согласно Ньютона второму закону движения : $$F=ma.$$

Принимая голографический экран за сферу радиуса $r$, площадь поверхности будет равна: $$A=4\pi r^{2}.$$

Из алгебраической подстановки их в приведенные выше соотношения можно получить закон всемирного тяготения Ньютона : $$F=m{\frac {2\pi ck_{\text{B}}T}{\hbar }}=m{\frac {4\pi c}{\hbar }}{\frac {E}{N}}=m{\frac {4\pi c^{3}}{\hbar }}{\frac {M}{N}}=m4\pi {\frac {GM}{A}}=G{\frac {mM}{r^{2}}}.$$

Обратите внимание, что этот вывод предполагает, что количество двоичных битов информации равно количеству степеней свободы. $${\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}=N={\frac {2E}{k_{\text{B}}T}}$$

Критика и экспериментальные испытания

Энтропическая гравитация, предложенная Верлинде в его оригинальной статье, воспроизводит уравнения поля Эйнштейна и, в ньютоновском приближении, $\ {\tfrac {\ 1\ }{r}}\$ потенциал гравитационных сил. Поскольку ее результаты не отличаются от ньютоновской гравитации, за исключением областей с чрезвычайно малыми гравитационными полями, 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.

Несмотря на это, энтропийная гравитация в ее нынешней форме подверглась серьезному сомнению по формальным причинам. Мэтт Виссер показал что попытка смоделировать консервативные силы в общем ньютоновском случае (т.е. для произвольных потенциалов и неограниченного числа дискретных масс) приводит к нефизическим требованиям требуемой энтропии и включает в себя неестественное количество температурных ванн с разными температурами. 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. Являются ли конкретные предложения Верлинде [26] хоть сколько-нибудь фундаментальными, еще предстоит увидеть – 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 что включение сохранения энергии-импульса, а также требований космологической однородности и изотропии серьезно ограничивает широкий класс потенциальных модификаций энтропийной гравитации, некоторые из которых использовались для обобщения энтропийной гравитации за пределами особого 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) нейтрино, подобные эВ-материи. 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. 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 несовместима с наблюдаемыми скоростями вращения карликовых галактик . Другая теория энтропии, основанная на геометрических соображениях (Количественная геометрическая термодинамика, QGT ) обеспечивает энтропийную основу голографического принципа а также предлагает другое объяснение кривых вращения галактик, обусловленное энтропийным влиянием. 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 (называемые растянутыми горизонтами) 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.

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. 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 земном гравитационном колодце 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. 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.

См. 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.
• Вынужденная гравитация - модель, в которой кривизна пространства-времени и ее динамика представляют собой аппроксимацию среднего поля основных микроскопических степеней свободы. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.

Дальнейшее чтение

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