Энтропийная гравитация
Энтропийная гравитация (также известная как эмерджентная гравитация, то есть определяющая гравитацию как возникающее явление) — теория современной физики, которая описывает гравитацию как энтропийную силу. Такое представление силы гравитации лишает эту силу статуса фундаментального взаимодействия. В своей основе эта теория опирается на теории струн, теории черных дыр и квантовые теории информации, она также подчиняется второму закону термодинамики. Теория описывает гравитацию как возникающее явление, происходящее из квантовой запутанности пространственно-временной информации, связанной с изменением энтропии системы.
Происхождение
Объяснение гравитации связывали с термодинамикой ещё в прошлом веке. Считается, что Бекенштейн и Хокинг были первыми учёными, которые указали на глубокую связь между гравитацией и термодинамикой в своих исследованиях чёрных дыр. Затем Якобсон, Падманабхан и другие учёные исследовали связь между гравитацией и энтропией. Однако самой примечательной работой стала модель предложенная Эриком Верлинде в 2009 году.
Теория Верлинде
Модель Верлинде, сочетающая в себе термодинамический подход к гравитации с голографическим принципом и описывающая гравитацию как энтропийную силу, утверждает, что гравитация является следствием изменения информации, связанной с положением материальных тел в пространстве [1] (русский перевод)[2].
В своей теории Верлинде утверждает, что гравитация — это появление изменения в битах информации, содержащихся в структуре пространства вокруг материальных тел согласно голографическому принципу. Между телами и в окружающем пространстве плотность энтропии, ассоциированная с этими телами, изменяется, увеличивается. Отсюда притяжение тел, сопровождающееся ростом энтропии, является естественным поведением тел согласно второму закону термодинамики, или для физических систем — это переход в более вероятное состояние. В этой же работе ученый вывел уравнение второго закона Ньютона и закона Всемирного тяготения, исходя лишь из этих соображений.
Основное исходное положение его теории заключается в том, что информация в части пространства подчиняется голографическому принципу. Согласно этому, информация может храниться на голографическом экране в любом месте вокруг тел. Подтверждающие доказательства для голографического принципа получены из физики чёрных дыр и AdS/CFT соответствия. Так, в физике чёрных дыр есть идея, что информация может храниться на горизонте событий чёрной дыры. Полагается, что информация закодирована в самой структуре пространства и само пространство тоже является возникающим (эмерджентным). Следовательно, в таком контексте законы механики должны появиться вместе с самим пространством, а значит их можно вывести естественным образом, исходя из этих предпосылок, что и сделал Верлинде в своей первой работе.
Он показал, что законы Ньютона возникают естественно и практически неотвратимо, исходя лишь из принципов, использующих только пространственно-независимые концепции, таких как энергия, энтропия и температура. При этом гравитация объясняется как энтропийная сила, вызванная изменением количества информации, связанной с положением материальных тел в пространстве.
Энтропийная сила
Верлинде рассмотрел частицу с массой m, прикрепленную к фиктивной «струне», в нерелятивистском пространстве падающего на небольшой голографический экран (на подобии мысленного эксперимента Бекенштейна, в известной работе по энтропии черных дыр, где тот опускал частицу к чёрной дыре и частица падала прямо перед горизонтом. Это, согласно Бекнштейна, увеличивало массу ЧД и площадь горизонта на небольшую величину, которую он определил с одним битом информации)[1].
Далее он полагает, что частица падает и сливается с микроскопическими степенями свободы на экране, но прежде чем это произойдет, она уже влияет на объём информации, хранящейся на экране. Согласно аргументу Бекенштейна, изменение энтропии, связанное с информацией на границеии (то есть на расстоянии [math]\displaystyle{ \Delta x }[/math] от экрана), равно:
- [math]\displaystyle{ \Delta S = 2 \pi k_B \frac{mc}{\hbar} \Delta x }[/math]
Возникновение силы объясняется аналогией с осмосом когда частица имеет энтропийную причину находиться на одной стороне мембраны и мембрана (полупроницаемая мембрана) имеет температуру, тогда на частицу будет действовать эффективная сила, равная
- [math]\displaystyle{ \Delta F \Delta x = T \Delta S }[/math]
Но чтобы получить не нулевую энтропийную силу, нужно чтобы температура была отличная от нуля. Из закона Ньютона мы знаем, что сила приводит к ненулевому ускорению частицы. С другой стороны, известно, что ускорение и температура тесно связаны через эффект Унру, согласно этому частица в ускоренной системе отсчета имеет температуру:
- [math]\displaystyle{ k_B T = \frac{1}{2 \pi} \frac{\hbar a}{c}\,, }[/math]
где [math]\displaystyle{ a }[/math] — ускорение частицы. Отсюда, используя выше полученные выражения получаем уравнение второго закона Ньютона.
- [math]\displaystyle{ F = m a }[/math]
Примеры энтропийных сил
Примерами энтропийных сил являются явление осмоса и эластичность молекулы полимера, возникающие в макроскопических системах. В коллоидах большие коллоидные молекулы, взвешенные в тепловой среде из более мелких частиц, испытывают энтропийные силы из-за эффекта исключённого объема. В этих случаях наблюдается статистическая тенденция возврата системы к состоянию максимальной энтропии, что переводится в макроскопическую силу.
Ньютоновский закон всемирного тяготения
Здесь, ученый анализирует замкнутой поверхность, сферу, которая рассматривается как об устройстве хранения информации[1]. Предполагая, что соблюдается голографический принцип, максимальное пространство для хранения или общее количество бит, пропорционален площади [math]\displaystyle{ A }[/math]. Он принимает границу как запоминающее устройство для информации. Если полагать что голографический принцип соблюдается, тогда максимальное пространство для хранения или общее количество битов информации, должно быть пропорционально площади [math]\displaystyle{ A }[/math]. В теории эмерджентного пространства площадь может быть определена как когда каждый фундаментальный бит по определению занимает одну элементарную ячейку. Отсюда число битов [math]\displaystyle{ N }[/math] пропорционально площади [math]\displaystyle{ A }[/math]. Тогда
- [math]\displaystyle{ N = \frac{Ac^3}{G \hbar} }[/math]
Здесь, нужно рассмотреть [math]\displaystyle{ G }[/math] – как введенную новую константу значение, которого определиться далее. Полагается, что вся энергия системы, [math]\displaystyle{ E }[/math], равномерно распределена по число битов [math]\displaystyle{ N }[/math]. Тогда температура определяется законом равнораспределения кинетической энергии по степеням свободы.
- [math]\displaystyle{ E = \frac{1}{2} Nk_B T }[/math]
Далее учёный прибегает к знаменитой формулировке эквивалентности массы и энергии:
- [math]\displaystyle{ \ E = Mc^2 }[/math]
Где, [math]\displaystyle{ M }[/math] представляет собой массу, окружённую сферическим голографическим экраном (см. рис.).
Далее, два выражения энергии сравниваются и из выражения числа битов (приведенное выше) определяется абсолютная температура. В полученное в результате выражение подставляется площадь сферы [math]\displaystyle{ A = 4 \pi R^2 }[/math]. Так получается результат:
- [math]\displaystyle{ F = G \frac{Mm}{R^2} }[/math]
Продолжение теории Верлинде
В июле 2011 года Верлинде представил дальнейшее развитие своих идей в докладе на конференции Strings 2011, включая объяснение происхождения темной материи [3] а работа с названием Эмерджентная гравитация и темная вселенная опубликовалась в 2016 году [4].
Основным следствием его теории является объяснение кривых вращения видимой материи в галактиках и почему они отличаются от ожидаемого профиля при применении существующих признанных теории гравитации (Нютоновская и ОТО). Это объяснение делается без ссылки на существование темной материи в центах галактик. Верлинде пишет: «Наблюдаемые явления, которые в настоящее время приписываются темной материи, являются следствием возникающей природы гравитации и вызваны упругой реакцией из-за вклада закона объемов в запутанность энтропии нашей Вселенной» [4]. В другом месте: «Мы считаем, что этот подход и полученные результаты говорят нам, что явления, связанные с темной материей, являются неизбежным и логическим следствием эмерджентной природы самого пространства-времени» [4].
Об признанных теории гравитации он говорит что: «Основываясь исключительно на наблюдениях, более уместно сказать, что эти знакомые теории гравитации можно сохранить, только предположив наличие темной материи» [4].
Статьи Верлинде привлекли также внимание средств массовой информации и дали толчок дальнейшим исследованиям в связанных областях физики и космологии.
См. также
Литература
Научно-популярные источники
- Изменённая теория гравитации по-своему объясняет структуру Вселенной (https://habr.com/ru/post/399121/)
- Зачем мы ищем тёмную материю и можно ли ее найти? (https://www.bbc.com/russian/features-38499673)
- Эрик Верлинде: гравитация — это иллюзия, космический фокус (https://alter-science.info/p/58.html)
- В новой теории гравитации нет места для тёмной материи (https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity)
Видео материалы по теме
- Эрик Верлинде, открытые лекции: Новый взгляд на гравитацию и тёмную сторону космоса, Приметерский Институт теоретической Физики [[1]]
- Возникающая гравитация и тёмная вселенная, лекция проф. Эрика Верлинде на 63-ем ежегодном собрании Израильского Физического Общества в Технион-Израильском Институте Технологий, 17 декабря 2017 г. [[2]]
Ссылки
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 E.P. Verlinde (2011). «On the Origin of Gravity and the Laws of Newton». JHEP 2011 (4): 29. arXiv:1001.0785. doi:10.1007/JHEP04(2011)029. .
- ↑ http://timeorigin21.narod.ru/rus_translation/Gravity_and_entropy.pdf
- ↑ E. Verlinde, The Hidden Phase Space of our Universe, Strings 2011, Uppsala, 1 July 2011.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8 Nov 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf