Энтропийная гравитация - Entropic gravity

Теория энтропийная гравитация соблюдает Закон всемирного тяготения Ньютона на Земле и на межпланетных расстояниях, но отличается от этой классической природы на межзвездных расстояниях.

Энтропийная гравитация, также известный как возникающая гравитация, это теория современной физики, которая описывает сила тяжести как энтропийная сила - сила с однородностью на макроуровне, но подверженная квантовый уровень беспорядок - а не фундаментальное взаимодействие. Теория, основанная на теория струн, черная дыра физика и квантовая теория информации, описывает гравитацию как возникающий явление, которое возникает из квантовая запутанность маленьких кусочков пространство-время Информация. Считается, что энтропийная гравитация подчиняется второй закон термодинамики под которым энтропия физической системы имеет тенденцию увеличиваться со временем.

В самом простом виде теория утверждает, что когда гравитация становится исчезающе слабой - уровни видны только на межзвездных расстояниях - она ​​отклоняется от своей классически понимаемой природы, и ее сила начинает уменьшаться. линейно с расстоянием из массы.

Энтропийная гравитация обеспечивает основу для объяснения Модифицированная ньютоновская динамика, или MOND, согласно которому гравитационное ускорение порог примерно 1.2×10⁻¹⁰ РС², сила гравитации начинает меняться обратно (линейно) с расстоянием от массы, а не с нормальным закон обратных квадратов расстояния. Это чрезвычайно низкий порог, составляющий всего 12 триллионных долей. сила гравитации на поверхности земли; объект, упавший с высоты одного метра, падал бы в течение 36 часов, если бы земная гравитация была настолько слабой. Это также в 3000 раз меньше, чем существует в точке, где Вояджер 1 пересекли нашу солнечную систему гелиопауза и вошел в межзвездное пространство.

Теория утверждает, что согласуется с обоими наблюдениями макроуровня: Ньютоновская гравитация а также Эйнштейна общая теория относительности и его гравитационное искажение пространства-времени. Важно отметить, что теория также объясняет (без ссылки на существование темная материя и сопутствующая математика с новыми бесплатные параметры доработаны для получения желаемого результата) почему кривые вращения галактики отличаются от профиля, ожидаемого от видимого вещества.

Теория энтропийной гравитации утверждает, что то, что интерпретировалось как ненаблюдаемая темная материя, является продуктом квантовых эффектов, которые можно рассматривать как форму положительный темная энергия что поднимает энергия вакуума пространства от его значения основного состояния. Центральный постулат теории состоит в том, что положительная темная энергия приводит к вкладу в энтропию по закону теплового объема, который превосходит закон площади пространство анти-де Ситтера именно в космологический горизонт.

Теория вызвала споры в физическом сообществе, но вызвала исследования и эксперименты, чтобы проверить ее достоверность.

Источник

Термодинамическое описание гравитации имеет историю, восходящую, по крайней мере, к исследованиям термодинамика черной дыры к Бекенштейн и Хокинг в середине 1970-х гг. Эти исследования предполагают глубокую связь между сила тяжести и термодинамика, которая описывает поведение тепла. В 1995 г. Якобсон продемонстрировал, что Уравнения поля Эйнштейна описание релятивистской гравитации может быть получено путем объединения общих термодинамических соображений с принцип эквивалентности.^[1] Впоследствии другие физики, в первую очередь Тану Падманабхан, начали исследовать связи между гравитацией и энтропия.^[2][3]

Теория Эрика Верлинде

В 2009, Эрик Верлинде предложил концептуальную модель, описывающую гравитацию как энтропийную силу.^[4] Он утверждает (аналогично результату Якобсона), что гравитация является следствием «информации, связанной с положением материальных тел».^[5] Эта модель сочетает в себе термодинамический подход к гравитации с Жерар т Хофт с голографический принцип. Это означает, что гравитация не фундаментальное взаимодействие, но возникающее явление которое возникает из статистического поведения микроскопических степени свободы закодировано на голографическом экране. Статья получила множество откликов от научного сообщества. Эндрю Строминджер, теоретик струн из Гарварда сказал: «Некоторые люди говорят, что это не может быть правильным, другие - что это правильно, и мы уже знали это - 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 немедленным дальнейшим исследованиям в космологии,^[10][11] то гипотеза темной энергии,^[12] космологическое ускорение,^[13][14] космологическая инфляция,^[15] и петля квантовой гравитации.^[16] Также была предложена конкретная микроскопическая модель, которая действительно приводит к возникновению энтропийной гравитации в больших масштабах.^[17] Энтропийная гравитация может возникнуть из квантовой запутанности локальных горизонтов Риндлера.^[18]

Вывод закона всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения выводится из классической статистической механики, применяемой к голографический принцип, который гласит, что описание объема пространства можно представить как ${\displaystyle N}$ биты двоичной информации, закодированные на границе этой области, замкнутой поверхности области ${\displaystyle A}$. Информация равномерно распределяется по поверхности, каждый бит требует площади, равной ${\displaystyle \ell _{\text{P}}^{2}}$, так называемой Планковская площадь, откуда ${\displaystyle N}$ таким образом можно вычислить:

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

куда ${\displaystyle \ell _{\text{P}}}$ это Планковская длина. Планковская длина определяется как:

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

куда ${\displaystyle G}$ это универсальная гравитационная постоянная, ${\displaystyle c}$ это скорость света, и ${\displaystyle \hbar }$ сокращенный Постоянная Планка. При подстановке в уравнение для ${\displaystyle N}$ мы нашли:

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

Статистический теорема о равнораспределении определяет температуру ${\displaystyle T}$ системы с ${\displaystyle N}$ степени свободы с точки зрения его энергии ${\displaystyle E}$ такой, что:

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

куда ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ это Постоянная Больцмана. Это эквивалентная энергия для массы ${\displaystyle M}$ в соответствии с:

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

Эффективная температура, возникающая из-за равномерного ускорения в вакуумное поле согласно Эффект Унру является:

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

куда ${\displaystyle a}$ это то ускорение, которое для массы ${\displaystyle m}$ будет отнесено к силе ${\displaystyle F}$ в соответствии с Второй закон Ньютона движения:

${\displaystyle F=ma}$.

Принимая голографический экран как сферу радиуса ${\displaystyle r}$, площадь поверхности будет определяться как:

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

Из их алгебраической подстановки в приведенные выше соотношения получаем 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 тесты

Энтропийная гравитация, предложенная Верлинде в его оригинальной статье, воспроизводит Уравнения поля Эйнштейна и, в ньютоновском приближении, потенциал 1 / r для гравитационных сил. Поскольку его результаты не отличаются от ньютоновской гравитации, за исключением областей чрезвычайно малых гравитационных полей, проверка теории с помощью наземных лабораторных экспериментов не представляется возможной. Эксперименты на космических аппаратах выполнены на Лагранжевые точки в нашей солнечной системе было бы дорого и сложно.

Несмотря на это, энтропийная гравитация в ее нынешнем виде подверглась серьезным испытаниям 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 неестественное количество температурных ванн с разными температурами. Виссер заключает:

Нет никаких разумных сомнений в физической реальности энтропийных сил и нет разумных сомнений в том, что классическая (и полуклассическая) общая теория относительности тесно связана с термодинамикой [52–55]. Основываясь на работе Якобсона [1–6], Тану Падманабхан [7–12] и другие, есть также веские причины подозревать, что термодинамическая интерпретация полностью релятивистских уравнений Эйнштейна возможна. Будут ли конкретные предложения Верлинде [26] хоть сколько-нибудь близки к столь же фундаментальным, еще предстоит увидеть - довольно барочная конструкция, необходимая для точного воспроизведения n-телесной ньютоновской гравитации в обстановке, подобной Верлинде, безусловно, заставляет задуматься.

Для вывода уравнений Эйнштейна с точки зрения энтропийной гравитации Тауэр Ван показывает^[20] что включение требований сохранения энергии-импульса и космологической однородности и изотропии сильно ограничивает широкий класс потенциальных модификаций энтропийной гравитации, некоторые из которых были использованы для обобщения энтропийной гравитации за пределы 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 приспособить однородную изотропную Вселенную.

Космологические наблюдения с использованием доступных технологий могут быть использованы для проверки теории. На основе линзирования скоплением галактик Abell 1689, Ньювенхейзен приходит к выводу, что EG полностью исключен, если не добавляется дополнительная (темная) материя, такая как нейтрино с эВ.^[21] Команда из Лейденская обсерватория статистически наблюдая линзирующий эффект гравитационных полей на больших расстояниях от центров более чем 33 000 галактик, обнаружил, что эти гравитационные поля согласуются с теорией Верлинде.^[22][23][24] Используя традиционную теорию гравитации, поля, подразумеваемые этими наблюдениями (а также измеренными кривые вращения галактики ) можно было отнести только к определенному распределению темная материя. В июне 2017 г. Университет Принстона исследователь Крис Пардо утверждал, что теория Верлинде несовместима с наблюдаемыми скоростями вращения карликовые галактики.^[25][26]

Сабина Хоссенфельдер утверждает, что «следует интерпретировать эти исследования [сравнение гравитационных исследований темной материи с ЭГ] с осторожностью», потому что «должны быть сделаны приближения, чтобы прийти к [подлежащему проверке ЭГ] уравнению [ам]», и еще не ясно, сами поправьте.^[27]

В 2018 году Чжи-Вэй Ван и Сэмюэл Л. Браунштейн показали, что, хотя поверхности пространства-времени около черных дыр (называемые протяженными горизонтами) действительно подчиняются аналогу первого закона термодинамики, обычные поверхности пространства-времени, включая голографические экраны, обычно не подчиняются, таким образом, подрывая ключевое термодинамическое предположение о программе возникающей гравитации.^[28]

Энтропийная гравитация и квантовая когерентность

Еще одна критика энтропийной гравитации заключается в том, что энтропийные процессы должны, как утверждают критики, нарушать квантовая когерентность. Однако не существует теоретической основы, количественно описывающей силу таких эффектов декогеренции. Температура гравитационного поля в земной гравитационной яме очень мала (порядка 10⁻¹⁹К).

Утверждается, что эксперименты с ультрахолодными нейтронами в гравитационном поле Земли показывают, что нейтроны лежат на дискретных уровнях точно так, как предсказывает Уравнение Шредингера рассматривая гравитацию как консервативное потенциальное поле без каких-либо декогерентных факторов. Арчил Кобахидзе утверждает, что этот результат опровергает энтропийную гравитацию,^[29] а Чайчян и другие. предполагают потенциальную лазейку в аргументе в слабых гравитационных полях, таких как те, которые влияют на эксперименты на Земле.^[30]

Смотрите также

• Сила Абрахама – Лоренца
• За пределами черных дыр - Область физических исследований, которая стремится согласовать законы термодинамики с существованием горизонтов событий черной дыры.
• Электрон черной дыры
• Энтропическая сила
• Радиация Хокинга - Излучение черной дыры, предсказанное Стивеном Хокингом
• Список исследователей квантовой гравитации - Статья со списком Википедии
• Энтропийная эластичность идеальной цепи
• Сила тяжести - Феномен притяжения между объектами с массой
• Индуцированная гравитация

Рекомендации

1. Якобсон, Теодор (4 апреля 1995 г.). «Термодинамика пространства-времени: уравнение состояния Эйнштейна». Phys. Rev. Lett. 75 (7): 1260–1263. arXiv:gr-qc / 9504004. Bibcode:1995PhRvL..75.1260J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.75.1260. PMID  10060248. S2CID  13223728.
2. Падманабхан, Тану (2010). «Термодинамические аспекты гравитации: новые открытия». Rep. Prog. Phys. 73 (4): 6901. arXiv:0911.5004. Bibcode:2010RPPh ... 73d6901P. Дои:10.1088/0034-4885/73/4/046901.
3. Мок, Х. (13 августа 2004 г.). «Дальнейшее объяснение проблемы космологической постоянной с помощью дискретного пространства-времени через модифицированный голографический принцип». arXiv:физика / 0408060.
4. ван Калмтаут, Мартейн (12 декабря 2009 г.). "Эйнштейн и Бетье Ахтерхаальд?". de Volkskrant (на голландском). Получено 6 сентября 2010.
5. E.P. Верлинде (2011). «О происхождении гравитации и законах Ньютона». JHEP. 2011 (4): 29. arXiv:1001.0785. Bibcode:2011JHEP ... 04..029V. Дои:10.1007 / JHEP04 (2011) 029. S2CID  3597565.
6. Овербай, Деннис (12 июля 2010 г.). "Ученый берет на себя гравитацию". Нью-Йорк Таймс. Получено 6 сентября 2010.
7. Э. Верлинде, Скрытое фазовое пространство нашей Вселенной, Strings 2011, Упсала, 1 июля 2011 г.
8. Сила энтропии: новое направление гравитации, Новый ученый, 20 января 2010 г., вып. 2744
9. Гравитация - это энтропийная форма голографической информации., Проводной журнал, 20 января 2010 г.
10. Фу-Вэнь Шу; Юнгуи Гонг (2011). «Равное распределение энергии и первый закон термодинамики на видимом горизонте». Международный журнал современной физики D. 20 (4): 553–559. arXiv:1001.3237. Bibcode:2011IJMPD..20..553S. Дои:10.1142 / S0218271811018883. S2CID  119253807.
11. Ронг-Ген Кай; Ли-Мин Цао; Нобуёси Охта (2010). «Уравнения Фридмана от энтропийной силы». Phys. Ред. D. 81 (6): 061501. arXiv:1001.3470. Bibcode:2010ПхРвД..81ф1501С. CiteSeerX  10.1.1.756.6761. Дои:10.1103 / PhysRevD.81.061501. S2CID  118462566.
12. Это от Bit: Как избавиться от темной энергии, Йоханнес Кельман, 2010 г.
13. Иссон; Фрэмптон; Смут (2011). «Энтропийная ускоряющаяся Вселенная». Phys. Lett. B. 696 (3): 273–277. arXiv:1002.4278. Bibcode:2011ФЛБ..696..273Э. Дои:10.1016 / j.physletb.2010.12.025. S2CID  119192004.
14. И-Фу Цай; Цзе Лю; Хун Ли (2010). «Энтропическая космология: единая модель инфляции и позднего ускорения». Phys. Lett. B. 690 (3): 213–219. arXiv:1003.4526. Bibcode:2010ФЛБ..690..213С. Дои:10.1016 / j.physletb.2010.05.033. S2CID  118627323.
15. И Ван (2010). «К голографическому описанию инфляции и генерации колебаний из термодинамики». arXiv:1001.4786 [hep-th ].
16. Ли Смолин (2010). «Ньютоновская гравитация в петлевой квантовой гравитации». arXiv:1001.3668 [gr-qc ].
17. Ярмо Мякеля (2010). «Заметки о происхождении гравитации и законах Ньютона» Э. Верлинде ». arXiv:1001.3808 [gr-qc ].
18. Ли, Джэ-Веон; Ким, Хён-Чан; Ли, Чунджай (2013). «Гравитация из квантовой информации». Журнал Корейского физического общества. 63 (5): 1094–1098. arXiv:1001.5445. Bibcode: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. Bibcode:2011JHEP ... 10..140В. Дои:10.1007 / JHEP10 (2011) 140. S2CID  119097091., чтобы появиться в JHEP
20. Ван, Башня (2012). «Пересмотр модифицированной энтропийной гравитации». arXiv:1211.5722 [hep-th ].
21. Nieuwenhuizen, Theodorus M. (5 октября 2016 г.). «Как Цвикки уже исключил модифицированные теории гравитации без темной материи». Fortschritte der Physik. 65 (6–8): 1600050. arXiv:1610.01543. Дои:10.1002 / prop.201600050. S2CID  118676940.
22. «Новая теория гравитации Верлинде проходит первую проверку». 16 декабря 2016.
23. Брауэр, Марго М .; и другие. (11 декабря 2016 г.). «Первая проверка теории возникающей гравитации Верлинде с использованием измерений слабого гравитационного линзирования». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 466 (появится): 2547–2559. arXiv:1612.03034. Bibcode:2017МНРАС.466.2547Б. Дои:10.1093 / mnras / stw3192. S2CID  18916375.
24. «Первое испытание соперника с гравитацией Эйнштейна убивает темную материю». 15 декабря 2016 г.. Получено 20 февраля 2017.
25. «Исследователи проверяют пространство-время, чтобы увидеть, состоит ли оно из квантовых битов». Журнал Quanta. 21 июня 2017 г.. Получено 11 августа 2017. Эмерджентная гравитация успешно предсказывает скорости вращения самых маленьких галактик в выборке. Но он предсказывает слишком низкие скорости для более массивных галактик, особенно для тех, которые заполнены газовыми облаками. Это несоответствие может создать серьезную проблему для возникающей гравитации, поскольку главный успех теории до сих пор заключался в предсказании кривых вращения больших галактик.
26. Пардо, Крис (2 июня 2017 г.). Тестирование возникающей гравитации с изолированными карликовыми галактиками (отчет). arXiv:1706.00785. Bibcode:2017arXiv170600785P. (PDF). Проверено 22 июня 2017 г.
27. Хоссенфельдер, Сабина (28 февраля 2017 г.). «Недавние утверждения недействительны: возникающая гравитация может освободить Вселенную без темной материи». forbes.com. Forbes. Получено 18 июля 2018.
28. Ван, Чжи-Вэй; Браунштейн, Сэмюэл Л. (2018). «Поверхности вдали от горизонтов нетермодинамические». Nature Communications. 9 (1): 2977. Дои:10.1038 / s41467-018-05433-9. ЧВК  6065406. PMID  30061720.
29. Кобахидзе, Арчил (2011). «Гравитация - это не энтропийная сила». Физический обзор D. arXiv:1009.5414.
30. Чайчян, М .; Оксанен, М .; Туряну, А. (2011). «О гравитации как энтропийной силе». Письма по физике B. 702 (5): 419–421. arXiv:1104.4650. Bibcode:2011ФЛБ..702..419С. Дои:10.1016 / j.physletb.2011.07.019. S2CID  119287340.

дальнейшее чтение

• It from bit - Энтропийная гравитация для пешеходов, Дж. Кельман
• Гравитация: внутренняя история, Т. Падманабхан
• Эксперименты показывают, что гравитация не является новым феноменом