Entropi gravitation

Entropisk gravitation (även känd som emergent gravitation , det vill säga definiera gravitation som ett framväxande fenomen) är en teori inom modern fysik som beskriver gravitation som en entropisk kraft. Denna representation av gravitationskraften berövar denna kraft statusen som en grundläggande interaktion. I sin kärna är denna teori baserad på strängteori , svarthålsteori och kvantinformationsteori , den lyder också termodynamikens andra lag . Teorin beskriver gravitation som ett framväxande fenomen som härrör från kvantintrasslingen av rum-tidsinformation associerad med förändringar i systemets entropi .

Ursprung

Tyngdkraftens förklaring associerades med termodynamiken under förra seklet. Man tror att Bekenstein och Hawking var de första forskarna som påpekade det djupa sambandet mellan gravitation och termodynamik i sina studier av svarta hål. Sedan utforskade Jacobson, Padmanabhan och andra förhållandet mellan gravitation och entropi. Det mest anmärkningsvärda arbetet var dock den modell som Eric Verlinde föreslog 2009.

Verlindes teori

Verlinde-modellen, som kombinerar den termodynamiska inställningen till gravitation med den holografiska principen och beskriver gravitation som en entropisk kraft, säger att gravitationen är resultatet av en förändring i information som är förknippad med materiella kroppars position i rymden [1] (rysk översättning) [2] .

I sin teori hävdar Verlinde att gravitation är utseendet på en förändring i informationsbitarna som finns i strukturen av rymden runt materiella kroppar enligt den holografiska principen. Mellan kroppar och i det omgivande utrymmet förändras, ökar entropitätheten som är förknippad med dessa kroppar. Därför är attraktionen av kroppar, åtföljd av en ökning av entropi, det naturliga beteendet hos kroppar enligt termodynamikens andra lag, eller för fysiska system är detta en övergång till ett mer troligt tillstånd. I samma arbete härledde vetenskapsmannen ekvationen för Newtons andra lag och lagen om universell gravitation , endast baserat på dessa överväganden.

Huvudutgångspunkten för hans teori är att information i en del av rymden är föremål för den holografiska principen. Enligt denna information kan lagras på den holografiska skärmen var som helst runt kropparna. Stödbevis för den holografiska principen kommer från svarta håls fysik och AdS/CFT-korrespondensen . Så inom svarta håls fysik finns en idé om att information kan lagras i händelsehorisonten för ett svart hål. Det antas att information är kodad i själva strukturen av rymden, och själva rummet är också framträdande. Därför måste i ett sådant sammanhang mekanikens lagar dyka upp tillsammans med själva rummet, vilket gör att de kan härledas på ett naturligt sätt, utifrån dessa premisser, vilket Verlinde gjorde i sitt första verk.

Han visade att Newtons lagar uppstår naturligt och praktiskt taget oundvikligt, med utgångspunkt från principer som endast använder rymdoberoende begrepp som energi, entropi och temperatur. Samtidigt förklaras gravitationen som en entropisk kraft som orsakas av en förändring i mängden information som är associerad med materiella kroppars position i rymden.

Entropisk kraft

Verlinde betraktade en partikel med massan m, fäst vid en fiktiv "sträng", i icke-relativistiskt utrymme som faller på en liten holografisk skärm (liknande Bekensteins tankeexperiment, i det berömda verket om svarta håls entropi, där han sänkte partikeln till det svarta hålet och partikeln föll precis framför horisonten Detta, enligt Beckstein, ökade massan av det svarta hålet och horisontens yta med en liten mängd, vilket han bestämde med en bit information) [ 1] .

Han antar vidare att partikeln faller och smälter samman med de mikroskopiska frihetsgraderna på skärmen, men innan det händer påverkar det redan mängden information som lagras på skärmen. Enligt Bekensteins argument är entropiförändringen associerad med information vid gränsen (dvs bort från skärmen):

Uppkomsten av kraft förklaras av en analogi med osmos, när en partikel har en entropisk anledning att vara på ena sidan av membranet och membranet (semipermeabla membranet) har en temperatur, då en effektiv kraft lika med

Men för att erhålla en entropikraft som inte är noll är det nödvändigt att temperaturen skiljer sig från noll. Vi vet från Newtons lag att en kraft resulterar i en partikelacceleration som inte är noll. Å andra sidan är det känt att acceleration och temperatur är nära besläktade genom Unruh-effekten , enligt vilken en partikel i en accelererad referensram har en temperatur:

var  är partikelns acceleration. Härifrån får vi med hjälp av uttrycken ovan, ekvationen för Newtons andra lag.

Exempel på entropiska krafter

Exempel på entropikrafter är fenomenet osmos och elasticiteten hos en polymermolekyl som förekommer i makroskopiska system. I kolloider upplever stora kolloidala molekyler suspenderade i ett termiskt medium av mindre partiklar entropikrafter på grund av den uteslutna volymeffekten. I dessa fall finns det en statistisk tendens för systemet att återgå till ett tillstånd av maximal entropi, vilket översätts till en makroskopisk kraft.

Newtons lag om universell gravitation

Här analyserar forskaren en sluten yta, en sfär, som betraktas som en informationslagringsenhet [1] . Om man antar att den holografiska principen följs, är det maximala lagringsutrymmet, eller det totala antalet bitar, proportionellt mot arean . Den tar gränsen som en lagringsenhet för information. Om man antar att den holografiska principen följs måste det maximala lagringsutrymmet, eller det totala antalet informationsbitar, vara proportionellt mot arean . I emergent rymdteori kan area definieras som när varje fundamental bit, per definition, upptar en elementär cell. Därför är antalet bitar proportionellt mot arean . Sedan

Här är det nödvändigt att betrakta - som ett infört nytt konstant värde, som kommer att bestämmas ytterligare. Det antas att hela energin i systemet, , är likformigt fördelad över antalet bitar . Då bestäms temperaturen av lagen om ekvidelning av kinetisk energi över frihetsgrader.

Vidare tillgriper forskaren den berömda formuleringen av ekvivalensen mellan massa och energi:

Där är en massa omgiven av en sfärisk holografisk skärm (se fig.).

Därefter jämförs de två energiuttrycken och den absoluta temperaturen bestäms från bittalsuttrycket (givet ovan). Området av sfären ersätts med det resulterande uttrycket . Så här blir resultatet:

Fortsättning på Verlindes teori

I juli 2011 presenterade Verlinde en vidareutveckling av sina idéer i ett papper vid Strings 2011-konferensen, inklusive en förklaring av ursprunget till mörk materia [3] och en artikel med titeln Emergent Gravity and the Dark Universe publicerades 2016 [4] .

Den huvudsakliga konsekvensen av hans teori är att förklara rotationskurvorna för synlig materia i galaxer och varför de skiljer sig från den förväntade profilen när man tillämpar de existerande accepterade gravitationsteorierna (Newtonsk och Allmän Relativitet). Denna förklaring görs utan hänvisning till förekomsten av mörk materia i galaxernas centrum. Verlinde skriver: "De observerade fenomenen som för närvarande tillskrivs mörk materia är en konsekvens av gravitationens framväxande natur och orsakas av en elastisk reaktion på grund av volymlagens bidrag till intrasslingen av entropin i vårt universum" [4] . På annat håll: "Vi tror att detta tillvägagångssätt och de erhållna resultaten säger oss att fenomenen som är förknippade med mörk materia är en oundviklig och logisk konsekvens av den framväxande naturen av rum-tiden själv" [4] .

Om etablerade gravitationsteorier säger han att: "Baserat enbart på observationer är det mer lämpligt att säga att dessa välbekanta teorier om gravitation endast kan upprätthållas genom att anta närvaron av mörk materia" [4] .

Verlindes artiklar väckte också uppmärksamhet i media och gav impulser till ytterligare forskning inom de närliggande områdena fysik och kosmologi.


Se även

Litteratur

Populärvetenskapliga källor

Videomaterial om ämnet

Länkar

  1. 1 2 3 4 E.P. Verlinde (2011). "Om gravitationens ursprung och Newtons lagar". jhep . 2011 (4) : 29.arXiv : 1001.0785 . Bibcode : 2011JHEP...04..029V . DOI : 10.1007/JHEP04(2011)029 .
  2. http://timeorigin21.narod.ru/rus_translation/Gravity_and_entropy.pdf
  3. E. Verlinde, The Hidden Phase Space of our Universe , Strings 2011, Uppsala, 1 juli 2011.
  4. 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8 nov 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf