Entropie gravitace

Entropická gravitace (také známá jako emergentní gravitace , tedy definující gravitaci jako vznikající jev) je teorie v moderní fyzice, která popisuje gravitaci jako entropickou sílu. Tato reprezentace gravitační síly zbavuje tuto sílu statutu základní interakce. Ve svém jádru je tato teorie založena na teorii strun , teorii černých děr a kvantové teorii informace a také se řídí druhým zákonem termodynamiky . Teorie popisuje gravitaci jako vznikající jev pocházející z kvantového propletení časoprostorových informací spojených se změnami entropie systému .

Původ

Vysvětlení gravitace bylo v minulém století spojeno s termodynamikou. Předpokládá se, že Bekenstein a Hawking byli prvními vědci, kteří ve svých studiích černých děr poukázali na hluboké spojení mezi gravitací a termodynamikou. Poté Jacobson, Padmanabhan a další zkoumali vztah mezi gravitací a entropií. Nejpozoruhodnější prací však byl model navržený Ericem Verlindem v roce 2009.

Verlindeova teorie

Verlindeho model, který kombinuje termodynamický přístup ke gravitaci s holografickým principem a popisuje gravitaci jako entropickou sílu, uvádí, že gravitace je výsledkem změny informace spojené s polohou hmotných těles v prostoru [1] (ruský překlad) [2] .

Verlinde ve své teorii tvrdí, že gravitace je zdání změny v bitech informací obsažených ve struktuře prostoru kolem hmotných těl podle holografického principu. Mezi tělesy a v okolním prostoru se hustota entropie spojená s těmito tělesy mění, zvyšuje. Přitažlivost těles, doprovázená nárůstem entropie, je tedy přirozeným chováním těles podle druhého termodynamického zákona, nebo pro fyzikální systémy jde o přechod do pravděpodobnějšího stavu. Ve stejné práci vědec odvodil rovnici druhého Newtonova zákona a zákona univerzální gravitace pouze na základě těchto úvah.

Hlavním východiskem jeho teorie je, že informace v části prostoru podléhají holografickému principu. Podle této informace mohou být uloženy na holografické obrazovce kdekoli kolem těl. Podpůrné důkazy pro holografický princip pocházejí z fyziky černých děr a korespondence AdS/CFT . Takže ve fyzice černých děr existuje myšlenka, že informace mohou být uloženy v horizontu událostí černé díry. Předpokládá se, že informace je zakódována v samotné struktuře prostoru a prostor samotný je také emergentní. V takovém kontextu se tedy zákony mechaniky musí objevit spolu s prostorem samotným, což znamená, že je lze odvodit přirozeným způsobem na základě těchto premis, což Verlinde udělal ve své první práci.

Ukázal, že Newtonovy zákony vznikají přirozeně a prakticky nevyhnutelně, vycházejíce pouze z principů, které využívají pouze prostorově nezávislé pojmy, jako je energie, entropie a teplota. Zároveň se gravitace vysvětluje jako entropická síla způsobená změnou množství informací spojených s polohou hmotných těles v prostoru.

Entropická síla

Verlinde zvažoval částici o hmotnosti m, připevněnou na fiktivní „struně“, v nerelativistickém prostoru dopadající na malé holografické plátno (podobně jako Bekensteinův myšlenkový experiment, ve slavném díle o entropii černých děr, kde částici snižoval k černé díře a částice spadla těsně před horizont To podle Becksteina zvýšilo hmotnost černé díry a plochu horizontu o malé množství, které určil jedním bitem informace) [ 1] .

Dále předpokládá, že částice padá a splyne s mikroskopickými stupni volnosti na obrazovce, ale než se tak stane, už to ovlivňuje množství informací uložených na obrazovce. Podle Bekensteinova argumentu je změna entropie spojená s informací na hranici (tj. mimo obrazovku): $\Delta x$

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

Vznik síly se vysvětluje analogií s osmózou, kdy částice má entropický důvod být na jedné straně membrány a membrána (semipermeabilní membrána) má teplotu, pak je efektivní síla rovna

\Delta F\Delta x=T\Delta S

Ale abychom získali nenulovou entropickou sílu, je nutné, aby teplota byla jiná než nula. Z Newtonova zákona víme, že síla má za následek nenulové zrychlení částice. Na druhé straně je známo, že zrychlení a teplota spolu úzce souvisejí prostřednictvím Unruhova jevu , podle kterého má částice ve zrychlené referenční soustavě teplotu:

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

kde je zrychlení částice. Odtud pomocí výše získaných výrazů získáme rovnici druhého Newtonova zákona. $A$

F=ma

Příklady entropických sil

Příklady entropických sil jsou jev osmózy a elasticita molekuly polymeru, které se vyskytují v makroskopických systémech. V koloidech jsou velké koloidní molekuly suspendované v tepelném médiu s menšími částicemi vystaveny entropickým silám v důsledku vyloučeného objemového efektu. V těchto případech existuje statistická tendence systému vrátit se do stavu maximální entropie, což se promítá do makroskopické síly.

Newtonův zákon univerzální gravitace

Zde vědec analyzuje uzavřený povrch, kouli, která je považována za zařízení pro ukládání informací [1] . Za předpokladu dodržení holografického principu je maximální úložný prostor neboli celkový počet bitů úměrný ploše . Hranici bere jako úložiště informací. Za předpokladu, že je dodržen holografický princip, pak maximální úložný prostor nebo celkový počet bitů informace musí být úměrný ploše . V emergentní vesmírné teorii lze oblast definovat tak, že každý základní bit podle definice zabírá jednu elementární buňku. Počet bitů je tedy úměrný ploše . Pak $A$ $A$ $N$ $A$

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

Zde je nutné uvažovat - jako zavedenou novou konstantní hodnotu, která bude dále stanovena. Předpokládá se, že veškerá energie systému , je rovnoměrně rozložena na počet bitů . Potom je teplota určena zákonem o ekvipartici kinetické energie ve stupních volnosti. $G$ $E$ $N$

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

Dále se vědec uchýlí ke slavné formulaci ekvivalence hmoty a energie:

\ E=Mc^{2}

Kde, je hmota obklopená kulovou holografickou clonou (viz obr.). $M$

Dále se porovnají dva energetické výrazy a z výrazu bitového čísla (uvedeného výše) se určí absolutní teplota. Do výsledného výrazu se dosadí plocha koule . Takhle je výsledek: $A=4\pi R^{2}$

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

Pokračování Verlindeovy teorie

V červenci 2011 Verlinde prezentoval další vývoj svých myšlenek v příspěvku na konferenci Strings 2011, včetně vysvětlení původu temné hmoty [3] a článek s názvem Emergent Gravity and the Dark Universe byl publikován v roce 2016 [4]. .

Hlavním důsledkem jeho teorie je vysvětlit rotační křivky viditelné hmoty v galaxiích a proč se liší od očekávaného profilu při aplikaci existujících akceptovaných teorií gravitace (newtonovské a obecné teorie relativity). Toto vysvětlení je učiněno bez odkazu na existenci temné hmoty v centrech galaxií. Verlinde píše: „Pozorované jevy, které jsou v současnosti připisovány temné hmotě, jsou důsledkem vznikající povahy gravitace a jsou způsobeny elastickou odezvou v důsledku přispění zákona objemů k zapletení entropie našeho vesmíru“ [4] . Jinde: "Věříme, že tento přístup a získané výsledky nám říkají, že jevy spojené s temnou hmotou jsou nevyhnutelným a logickým důsledkem vznikající povahy samotného časoprostoru" [4] .

O zavedených teoriích gravitace říká, že: „Pouze na základě pozorování je vhodnější říci, že tyto známé teorie gravitace lze udržovat pouze za předpokladu přítomnosti temné hmoty“ [4] .

Verlindeovy články také přitáhly pozornost médií a daly podnět k dalšímu výzkumu v příbuzných oborech fyziky a kosmologie.

Viz také

Literatura

Populární vědecké zdroje

Upravená teorie gravitace vysvětluje strukturu Vesmíru po svém ( https://habr.com/ru/post/399121/ )
Proč hledáme temnou hmotu a můžeme ji najít? ( https://www.bbc.com/russian/features-38499673 )
Eric Verlinde: gravitace je iluze, vesmírný trik ( https://alter-science.info/p/58.html )
V nové teorii gravitace není místo pro temnou hmotu ( https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity )

Video materiály k tématu

Eric Verlinde, Public Lectures: A New Look at Gravity and the Dark Side of Space, Primera Institute for Theoretical Physics [ [1] ]
Vznikající gravitace a temný vesmír, přednáška prof. Erika Verlinde na 63. výročním zasedání Izraelské fyzikální společnosti na Technion-Israel Institute of Technology, 17. prosince 2017 [ [2] ]

Odkazy

↑ 1 2 3 4 E.P. Verlinde (2011). „O původu gravitace a Newtonových zákonů“ . jhep . 2011 (4) : 29.arXiv : 1001.0785 . Bibcode : 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 , Struny 2011, Uppsala, 1. července 2011.
↑ 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8. listopadu 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf