Энтропийная гравитация

Теория энтропийной гравитации соответствует Нютоновской теории классической гравитации в пределах Солнечной системы, но на больших расстояниях расходится с ней.

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 (русский перевод).

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 Бекенштейна, увеличивало массу ЧД и площадь горизонта на небольшую величину, которую он связал с одним битом информации).

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 границе (то есть на расстоянии $\Delta x$ от экрана), равно:

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

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

$\Delta F\Delta x=T\Delta S$

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:

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

где $a$ — ускорение частицы. Отсюда, используя выше полученные выражения, получаем уравнение второго закона Ньютона.

$F=ma$

Уравнения Энштейна получаются из выражения первого закона термодинамики когда применяются уравнения Бекeнштейна и Хокинга для черных дыр

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. Предполагая, что соблюдается голографический принцип, максимальное пространство для хранения или общее количество бит, пропорционален площади $A$. 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 $A$. В теории эмерджентного пространства площадь может быть определена как когда каждый фундаментальный бит по определению занимает одну элементарную ячейку. Отсюда число битов $N$ пропорционально площади $A$. Тогда

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

Здесь, нужно рассмотреть $G$ – как введенную новую константу значение, которого определиться далее. Полагается, что вся энергия системы, $E$, равномерно распределена по число битов $N$. Тогда температура определяется законом равнораспределения кинетической энергии по степеням свободы.

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

Далее учёный прибегает к знаменитой формулировке эквивалентности массы и энергии:

$\ E=Mc^{2}$

Где, $M$ 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 $A=4\pi R^{2}$. Так получается результат:

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

Продолжение теории Верлинде

В июле 2011 года Верлинде представил дальнейшее развитие своих идей в докладе на конференции Strings 2011, включая объяснение происхождения темной материи а работа с названием Эмерджентная гравитация и темная вселенная опубликовалась в 2016 году .

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 центрах 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» . 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» .

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» .

Статьи Верлинде привлекли также внимание средств массовой информации и дали толчок дальнейшим исследованиям в связанных областях физики и космологии.

См. также

• Гравитация
• Черная дыра
• Излучение Хокинга
• Голографический принцип
• Квантовая гравитация

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]]