Entrópia gravitáció

Az entrópikus gravitáció (más néven felbukkanó gravitáció , azaz a gravitációt feltörekvő jelenségként határozza meg) egy olyan elmélet a modern fizikában, amely a gravitációt entrópikus erőként írja le. A gravitációs erő ilyen ábrázolása megfosztja ezt az erőt az alapvető kölcsönhatás státuszától. Ennek az elméletnek a lényege a húrelmélet , a fekete lyukak elmélete és a kvantuminformáció elmélete , és a termodinamika második törvényének is megfelel . Az elmélet a gravitációt olyan felbukkanó jelenségként írja le, amely a tér-idő információnak a rendszer entrópiájában bekövetkezett változásokkal összefüggő kvantumösszefonódásából ered .

Eredet

A gravitáció magyarázatát a múlt században a termodinamikával társították. Úgy gondolják, hogy Bekenstein és Hawking voltak az első tudósok, akik rámutattak a gravitáció és a termodinamika közötti mély kapcsolatra a fekete lyukak vizsgálata során. Ezután Jacobson, Padmanabhan és mások a gravitáció és az entrópia kapcsolatát vizsgálták. A legfigyelemreméltóbb munka azonban az Eric Verlinde által 2009-ben javasolt modell volt.

Verlinde elmélete

A gravitáció termodinamikai megközelítését a holografikus elvvel kombináló Verlinde-modell, amely a gravitációt entrópikus erőként írja le, kijelenti, hogy a gravitáció az anyagi testek térbeli helyzetével kapcsolatos információváltozás eredménye [1] (orosz fordítás). [2] .

Elméletében Verlinde azt állítja, hogy a gravitáció a holografikus elv szerint az anyagi testek körüli térszerkezetben lévő információbitekben bekövetkező változás megjelenése. A testek között és a környező térben az ezekhez a testekhez tartozó entrópia-sűrűség változik, növekszik. Ennélfogva a testek vonzása az entrópia növekedésével együtt a testek természetes viselkedése a termodinamika második főtétele szerint, vagy a fizikai rendszerek esetében ez az átmenet egy valószínűbb állapotba. Ugyanebben a munkában a tudós levezette Newton második törvényének és az egyetemes gravitáció törvényének egyenletét , csak ezekre a megfontolásokra alapozva.

Elméletének fő kiindulópontja az, hogy a tér egy részében lévő információ a holografikus elv hatálya alá tartozik. Ennek megfelelően az információ a holografikus képernyőn tárolható bárhol a testek körül. A holografikus elvet alátámasztó bizonyítékok a fekete lyukak fizikájából és az AdS/CFT levelezésből származnak . Tehát a fekete lyuk fizikában van egy elképzelés, hogy az információ tárolható egy fekete lyuk eseményhorizontjában. Feltételezzük, hogy az információ a tér szerkezetében van kódolva, és maga a tér is felbukkanó. Ezért ilyen kontextusban a mechanika törvényeinek magával a térrel együtt kell megjelenniük, ami azt jelenti, hogy ezekből a premisszákból természetes úton levezethetők, amit Verlinde első munkájában meg is tett.

Megmutatta, hogy Newton törvényei természetesen és gyakorlatilag megkerülhetetlenül keletkeznek, csak olyan elvekből indulva ki, amelyek csak a tértől független fogalmakat használnak, mint például az energia, az entrópia és a hőmérséklet. Ugyanakkor a gravitációt entrópikus erőként magyarázzák, amelyet az anyagi testek térbeli helyzetéhez kapcsolódó információ mennyiségének változása okoz.

Entropikus erő

Verlinde egy m tömegű, fiktív "húrhoz" csatolt részecskét tekintett a nem-relativisztikus térben, amely egy kis holografikus képernyőre esik (hasonlóan Bekenstein gondolatkísérletéhez, a fekete lyukak entrópiájáról szóló híres műben, ahol leengedte a részecskét a fekete lyukba, és a részecske közvetlenül a horizont elé esett Ez Beckstein szerint kis mértékben megnövelte a fekete lyuk tömegét és a horizont területét, amit egy bites információval megállapított) [ 1] .

Feltételezi továbbá, hogy a részecske leesik és összeolvad a képernyőn látható mikroszkopikus szabadságfokkal, de mielőtt ez megtörténne, már befolyásolja a képernyőn tárolt információ mennyiségét. Bekenstein érvelése szerint a határon (azaz a képernyőtől távol lévő) információkhoz kapcsolódó entrópiaváltozás: $\Delta x$

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

Az erő megjelenését az ozmózissal való analógia magyarázza, amikor egy részecskének entrópikus oka van, hogy a membrán egyik oldalán legyen, és a membrán (féligáteresztő membrán) hőmérséklete, akkor az effektív erő egyenlő

\Delta F\Delta x=T\Delta S

De ahhoz, hogy nullától eltérő entrópiaerőt kapjunk, szükség van arra, hogy a hőmérséklet eltérjen a nullától. Newton törvényéből tudjuk, hogy egy erő nullától eltérő részecskegyorsulást eredményez. Másrészt ismert, hogy a gyorsulás és a hőmérséklet szorosan összefügg az Unruh-effektus révén , amely szerint egy gyorsított referenciakeretben lévő részecske hőmérséklete:

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

hol van a részecske gyorsulása. Innen a fent kapott kifejezések felhasználásával megkapjuk Newton második törvényének egyenletét. $a$

F=ma

Példák entrópikus erőkre

Az entrópiaerők példái az ozmózis jelensége és a polimer molekulák rugalmassága, amely makroszkopikus rendszerekben fordul elő. A kolloidokban a kisebb részecskékből álló termikus közegben szuszpendált nagy kolloid molekulák entrópiaerőket fejtenek ki a kizárt térfogathatás miatt. Ezekben az esetekben a rendszer statisztikailag hajlamos visszatérni a maximális entrópia állapotába, ami makroszkopikus erővé válik.

Newton egyetemes gravitációs törvénye

Itt a tudós egy zárt felületet, egy gömböt elemez, amelyet információtároló eszköznek tekintenek [1] . Feltételezve, hogy a holografikus elvet követik, a maximális tárterület vagy a bitek teljes száma arányos a területtel . A határt információtároló eszköznek tekinti. Feltételezve, hogy a holografikus elvet betartjuk, akkor a maximális tárterületnek, vagy az információ teljes bitszámának arányosnak kell lennie a területtel . A kialakuló térelméletben a terület úgy definiálható, mint amikor minden alapvető bit definíció szerint egy elemi cellát foglal el. Ezért a bitek száma arányos a területtel . Akkor $A$ $A$ $N$ $A$

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

Itt figyelembe kell venni - mint bevezetett új állandó értéket, amelyet a továbbiakban határozunk meg. Feltételezzük, hogy a rendszer teljes energiája egyenletesen oszlik el a bitek száma között . Ekkor a hőmérsékletet a mozgási energia szabadsági fokok közötti egyenlőségének törvénye határozza meg. $G$ $E$ $N$

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

Ezenkívül a tudós a tömeg és az energia egyenértékűségének híres megfogalmazásához folyamodik:

\ E=Mc^{2}

Ahol egy gömb alakú holografikus képernyővel körülvett tömeg (lásd az ábrát). $M$

Ezután a két energiakifejezést összehasonlítjuk, és a bitszám-kifejezésből (fentebb megadva) meghatározzuk az abszolút hőmérsékletet. A gömb területét behelyettesítjük a kapott kifejezésbe . Így alakul az eredmény: $A=4\pi R^{2}$

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

Verlinde elméletének folytatása

2011 júliusában Verlinde a Strings 2011 konferencián egy előadásában bemutatta elképzeléseinek továbbfejlesztését, beleértve a sötét anyag eredetének magyarázatát [3] , és 2016-ban megjelent egy tanulmány Emergent Gravity and the Dark Universe címmel [4]. .

Elméletének fő következménye, hogy megmagyarázza a galaxisok látható anyagának forgási görbéit, és azt, hogy miért térnek el a várt profiltól a meglévő elfogadott gravitációs elméletek (newtoni és általános relativitáselmélet) alkalmazásakor. Ezt a magyarázatot a galaxisok középpontjában lévő sötét anyag létezésére való hivatkozás nélkül adják meg. Verlinde ezt írja: „A megfigyelt jelenségek, amelyeket jelenleg a sötét anyagnak tulajdonítanak, a gravitáció feltörekvő természetének következményei, és a térfogatok törvényének univerzumunk entrópiájának összefonódásához való hozzájárulásából adódó rugalmas válasz következményei” [4] . Máshol: "Úgy gondoljuk, hogy ez a megközelítés és a kapott eredmények azt sugallják, hogy a sötét anyaggal kapcsolatos jelenségek elkerülhetetlen és logikus következményei magának a téridőnek a felbukkanó természetének" [4] .

A kialakult gravitációs elméletekről azt mondja, hogy: "Csak megfigyelések alapján helyénvalóbb azt mondani, hogy ezek az ismert gravitációs elméletek csak a sötét anyag jelenlétének feltételezésével tarthatók fenn" [4] .

Verlinde cikkei a média figyelmét is felkeltették, és lendületet adtak a fizika és kozmológia kapcsolódó területeinek további kutatásainak.

Lásd még

Irodalom

Népszerű tudományos források

A módosított gravitációs elmélet a maga módján magyarázza az Univerzum szerkezetét ( https://habr.com/en/post/399121/ )
Miért keressük a sötét anyagot, és vajon megtaláljuk-e? ( https://www.bbc.com/russian/features-38499673 )
Eric Verlinde: a gravitáció egy illúzió, egy kozmikus trükk ( https://alter-science.info/p/58.html )
Nincs helye a sötét anyagnak az új gravitációs elméletben ( https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity )

Videó anyagok a témában

Eric Verlinde, Nyilvános előadások: Új pillantás a gravitációra és a tér sötét oldalára, Primera Institute for Theoretical Physics [ [1] ]
A kialakuló gravitáció és a sötét univerzum, prof. Erika Verlinde az Izraeli Fizikai Társaság 63. éves találkozóján a Technion-Israel Institute of Technology-ban, 2017. december 17-én [ [2] ]

Linkek

↑ 1 2 3 4 E.P. Verlinde (2011). "A gravitáció eredetéről és Newton törvényeiről". 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, Univerzumunk rejtett fázistere , Strings 2011, Uppsala, 2011. július 1.
↑ 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 2016. november 8., https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf