Gravitația entropie

Gravitația entropică (cunoscută și sub numele de gravitație emergentă , adică definirea gravitației ca un fenomen emergent) este o teorie din fizica modernă care descrie gravitația ca o forță entropică. Această reprezentare a forței gravitaționale privează această forță de statutul de interacțiune fundamentală. În esență, această teorie se bazează pe teoria corzilor , teoria găurii negre și teoria informației cuantice , se supune și celei de-a doua lege a termodinamicii . Teoria descrie gravitația ca un fenomen emergent care decurge din încurcarea cuantică a informațiilor spațiu-timp asociate cu modificările entropiei sistemului .

Origine

Explicația gravitației a fost asociată cu termodinamica în ultimul secol. Se crede că Bekenstein și Hawking au fost primii oameni de știință care au subliniat legătura profundă dintre gravitație și termodinamică în studiile lor despre găurile negre. Apoi Jacobson, Padmanabhan și alții au explorat relația dintre gravitație și entropie. Cu toate acestea, cea mai notabilă lucrare a fost modelul propus de Eric Verlinde în 2009.

Teoria lui Verlinde

Modelul Verlinde, care combină abordarea termodinamică a gravitației cu principiul holografic și descrie gravitația ca o forță entropică, afirmă că gravitația este rezultatul unei modificări a informațiilor asociate cu poziția corpurilor materiale în spațiu [1] (traducere rusă) [2] .

În teoria sa, Verlinde susține că gravitația este apariția unei modificări a biților de informații conținute în structura spațiului din jurul corpurilor materiale, conform principiului holografic. Între corpuri și în spațiul înconjurător, densitatea entropiei asociată acestor corpuri se modifică, crește. Prin urmare, atracția corpurilor, însoțită de o creștere a entropiei, este comportamentul natural al corpurilor conform celei de-a doua legi a termodinamicii, sau pentru sistemele fizice, aceasta este o tranziție la o stare mai probabilă. În aceeași lucrare, omul de știință a derivat ecuația celei de-a doua legi a lui Newton și legea gravitației universale , doar pe baza acestor considerații.

Principalul punct de plecare al teoriei sale este că informația dintr-o parte a spațiului este supusă principiului holografic. Conform acestei informații, pot fi stocate pe ecranul olografic oriunde în jurul corpurilor. Dovezile care susțin principiul holografic provin din fizica găurii negre și din corespondența AdS/CFT . Deci, în fizica găurii negre există ideea că informațiile pot fi stocate în orizontul de evenimente al unei găuri negre. Se presupune că informația este codificată în însăși structura spațiului, iar spațiul însuși este, de asemenea, emergent. Prin urmare, într-un astfel de context, legile mecanicii trebuie să apară alături de spațiul în sine, ceea ce înseamnă că ele pot fi derivate în mod natural, pe baza acestor premise, ceea ce Verlinde a făcut în prima sa lucrare.

El a arătat că legile lui Newton apar în mod natural și practic în mod inevitabil, pornind doar de la principii care folosesc doar concepte independente de spațiu, cum ar fi energia, entropia și temperatura. În același timp, gravitația este explicată ca o forță entropică cauzată de o modificare a cantității de informații asociate cu poziția corpurilor materiale în spațiu.

Forța entropică

Verlinde a considerat o particulă cu masa m, atașată unui „șir” fictiv, într-un spațiu non-relativist căzând pe un mic ecran olografic (asemănător cu experimentul gândirii lui Bekenstein, în celebra lucrare despre entropia găurilor negre, unde a coborât particulele). la gaura neagră și particula a căzut chiar în fața orizontului. Acest lucru, potrivit lui Beckstein, a crescut masa găurii negre și aria orizontului cu o cantitate mică, pe care a determinat-o cu un pic de informație) [ 1] .

În plus, el presupune că particula cade și se îmbină cu gradele microscopice de libertate de pe ecran, dar înainte de a se întâmpla asta, afectează deja cantitatea de informații stocate pe ecran. Conform argumentului lui Bekenstein, modificarea entropiei asociată cu informațiile de la graniță (adică departe de ecran) este: $\Delta x$

\Delta S=2\pi k_{B}{\frac {mc}{\hbar }}\Delta x

Apariția forței se explică printr-o analogie cu osmoza, când o particulă are un motiv entropic de a fi pe o parte a membranei și membrana (membrană semipermeabilă) are o temperatură, apoi o forță efectivă egală cu

\Delta F\Delta x=T\Delta S

Dar pentru a obține o forță de entropie diferită de zero, este necesar ca temperatura să fie diferită de zero. Știm din legea lui Newton că o forță are ca rezultat o accelerație diferită de zero a particulelor. Pe de altă parte, se știe că accelerația și temperatura sunt strâns legate prin efectul Unruh , conform căruia o particulă dintr-un cadru de referință accelerat are o temperatură:

k_{B}T={\frac {1}{2\pi }}{\frac {\hbar a}{c}}\,,

unde este accelerația particulei. De aici, folosind expresiile obținute mai sus, obținem ecuația celei de-a doua legi a lui Newton. $A$

F=ma

Exemple de forțe entropice

Exemple de forțe de entropie sunt fenomenul de osmoză și elasticitatea unei molecule de polimer care apar în sistemele macroscopice. În coloizi, moleculele coloidale mari suspendate într-un mediu termic de particule mai mici experimentează forțe de entropie din cauza efectului de volum exclus. În aceste cazuri, există o tendință statistică a sistemului de a reveni la o stare de entropie maximă, care se traduce într-o forță macroscopică.

Legea gravitației universale a lui Newton

Aici, omul de știință analizează o suprafață închisă, o sferă, care este considerată ca un dispozitiv de stocare a informațiilor [1] . Presupunând că se respectă principiul holografic, spațiul maxim de stocare, sau numărul total de biți, este proporțional cu suprafața . Ia granița ca dispozitiv de stocare a informațiilor. Presupunând că este respectat principiul holografic, atunci spațiul maxim de stocare, sau numărul total de biți de informație, trebuie să fie proporțional cu suprafața . În teoria spațiului emergent, aria poate fi definită ca atunci când fiecare bit fundamental, prin definiție, ocupă o celulă elementară. Prin urmare, numărul de biți este proporțional cu suprafața . Apoi $A$ $A$ $N$ $A$

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

Aici, este necesar să se ia în considerare - ca o nouă valoare constantă introdusă, care va fi determinată în continuare. Se presupune că întreaga energie a sistemului, , este distribuită uniform pe numărul de biți . Atunci temperatura este determinată de legea echipartiției energiei cinetice în grade de libertate. $G$ $E$ $N$

E={\frac {1}{2}}Nk_{B}T

În plus, omul de știință recurge la celebra formulare a echivalenței masei și energiei:

\ E=Mc^{2}

Unde, este o masă înconjurată de un ecran holografic sferic (vezi Fig.). $M$

Apoi, cele două expresii de energie sunt comparate și temperatura absolută este determinată din expresia numărului de biți (data mai sus). Aria sferei este înlocuită în expresia rezultată . Iată cum este rezultatul: $A=4\pi R^{2}$

F=G{\frac {Mm}{R^{2)}}

Continuarea teoriei lui Verlinde

În iulie 2011, Verlinde a prezentat o dezvoltare ulterioară a ideilor sale într-o lucrare la conferința Strings 2011, inclusiv o explicație a originii materiei întunecate [3] și o lucrare intitulată Emergent Gravity and the Dark Universe a fost publicată în 2016 [4] .

Principala consecință a teoriei sale este de a explica curbele de rotație ale materiei vizibile în galaxii și de ce acestea diferă de profilul așteptat atunci când se aplică teoriile existente acceptate ale gravitației (newtoniană și relativitatea generală). Această explicație se face fără referire la existența materiei întunecate în centrele galaxiilor. Verlinde scrie: „Fenomenele observate atribuite în prezent materiei întunecate sunt o consecință a naturii emergente a gravitației și sunt cauzate de un răspuns elastic datorat contribuției legii volumelor la încurcarea entropiei Universului nostru” [4] . În altă parte: „Credem că această abordare și rezultatele obținute ne spun că fenomenele asociate materiei întunecate sunt o consecință inevitabilă și logică a naturii emergente a spațiu-timpului însuși” [4] .

Despre teoriile consacrate ale gravitației, el spune că: „ Bazându-ne exclusiv pe observații, este mai potrivit să spunem că aceste teorii familiare ale gravitației nu pot fi menținute decât presupunând prezența materiei întunecate” [4] .

Articolele lui Verlinde au atras, de asemenea, atenția presei și au dat impuls cercetărilor ulterioare în domeniile conexe ale fizicii și cosmologiei.

Vezi și

Literatură

Surse populare științifice

Teoria modificată a gravitației explică structura Universului în felul său ( https://habr.com/ru/post/399121/ )
De ce căutăm materie întunecată și o putem găsi? ( https://www.bbc.com/russian/features-38499673 )
Eric Verlinde: gravitația este o iluzie, un truc cosmic ( https://alter-science.info/p/58.html )
Nu există loc pentru materia întunecată în noua teorie a gravitației ( https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity )

Materiale video pe această temă

Eric Verlinde, Prelegeri publice: O nouă privire asupra gravitației și partea întunecată a spațiului, Primera Institute for Theoretical Physics [ [1] ]
Gravitația emergentă și universul întunecat, prelegere prof. Erika Verlinde la cea de-a 63-a întâlnire anuală a Societății de fizică din Israel la Institutul de Tehnologie Technion-Israel, 17 decembrie 2017 [ [2] ]

Link -uri

↑ 1 2 3 4 E.P. Verlinde (2011). „Despre originea gravitației și legile lui Newton”. jhep . 2011 (4) : 29.arXiv : 1001.0785 . Cod biblic : 2011JHEP ...04..029V . 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 iulie 2011.
↑ 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8 noiembrie 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf