Entropía gravedad

La gravedad entrópica (también conocida como gravedad emergente , es decir, define la gravedad como un fenómeno emergente) es una teoría de la física moderna que describe la gravedad como una fuerza entrópica. Esta representación de la fuerza gravitacional priva a esta fuerza del estatus de una interacción fundamental. En esencia, esta teoría se basa en la teoría de cuerdas , la teoría del agujero negro y la teoría de la información cuántica , también obedece a la segunda ley de la termodinámica . La teoría describe la gravedad como un fenómeno emergente que surge del entrelazamiento cuántico de la información del espacio-tiempo asociada con los cambios en la entropía del sistema .

Origen

La explicación de la gravedad se asoció con la termodinámica en el siglo pasado. Se cree que Bekenstein y Hawking fueron los primeros científicos en señalar la profunda conexión entre la gravedad y la termodinámica en sus estudios de los agujeros negros. Luego, Jacobson, Padmanabhan y otros exploraron la relación entre la gravedad y la entropía. Sin embargo, el trabajo más destacado fue el modelo propuesto por Eric Verlinde en 2009.

La teoría de Verlinde

El modelo de Verlinde, que combina el enfoque termodinámico de la gravedad con el principio holográfico y describe la gravedad como una fuerza entrópica, establece que la gravedad es el resultado de un cambio en la información asociada con la posición de los cuerpos materiales en el espacio [1] (traducción al ruso) [2] .

En su teoría, Verlinde afirma que la gravedad es la apariencia de un cambio en los bits de información contenidos en la estructura del espacio alrededor de los cuerpos materiales según el principio holográfico. Entre cuerpos y en el espacio circundante, la densidad de entropía asociada con estos cuerpos cambia, aumenta. Por lo tanto, la atracción de los cuerpos, acompañada de un aumento de la entropía, es el comportamiento natural de los cuerpos según la segunda ley de la termodinámica, o para los sistemas físicos, esta es una transición a un estado más probable. En el mismo trabajo, el científico derivó la ecuación de la segunda ley de Newton y la ley de la gravitación universal , basándose únicamente en estas consideraciones.

El principal punto de partida de su teoría es que la información en una parte del espacio está sujeta al principio holográfico. Según esta información se puede almacenar en la pantalla holográfica en cualquier lugar alrededor de los cuerpos. La evidencia que respalda el principio holográfico proviene de la física de los agujeros negros y la correspondencia AdS/CFT . Entonces, en la física de los agujeros negros existe la idea de que la información se puede almacenar en el horizonte de eventos de un agujero negro. Se supone que la información está codificada en la estructura misma del espacio, y el propio espacio también es emergente. Por lo tanto, en tal contexto, las leyes de la mecánica deben aparecer junto con el espacio mismo, lo que significa que pueden derivarse de forma natural, a partir de estas premisas, como lo hizo Verlinde en su primera obra.

Demostró que las leyes de Newton surgen de manera natural y prácticamente ineludible, comenzando solo a partir de principios que usan solo conceptos independientes del espacio, como energía, entropía y temperatura. Al mismo tiempo, la gravedad se explica como una fuerza entrópica causada por un cambio en la cantidad de información asociada con la posición de los cuerpos materiales en el espacio.

Fuerza entrópica

Verlinde consideró una partícula con masa m, unida a una "cuerda" ficticia, en un espacio no relativista cayendo sobre una pequeña pantalla holográfica (similar al experimento mental de Bekenstein, en el famoso trabajo sobre la entropía de los agujeros negros, donde bajó la partícula al agujero negro y la partícula cayó justo en frente del horizonte Esto, según Beckstein, aumentó la masa del agujero negro y el área del horizonte en una pequeña cantidad, que determinó con un poco de información) [ 1] .

Además, asume que la partícula cae y se fusiona con los grados de libertad microscópicos en la pantalla, pero antes de que eso suceda, ya afecta la cantidad de información almacenada en la pantalla. De acuerdo con el argumento de Bekenstein, el cambio de entropía asociado con la información en el límite (es decir, lejos de la pantalla) es: $\Delta x$

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

La aparición de la fuerza se explica por una analogía con la ósmosis, cuando una partícula tiene una razón entrópica para estar en un lado de la membrana y la membrana (membrana semipermeable) tiene una temperatura, entonces una fuerza efectiva igual a

{\ estilo de visualización \ Delta F \ Delta x = T \ Delta S}

Pero para obtener una fuerza de entropía distinta de cero, es necesario que la temperatura sea diferente de cero. Sabemos por la ley de Newton que una fuerza da como resultado una aceleración de partículas distinta de cero. Por otro lado, se sabe que la aceleración y la temperatura están íntimamente relacionadas a través del efecto Unruh , según el cual una partícula en un marco de referencia acelerado tiene una temperatura:

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

donde es la aceleración de la partícula. A partir de aquí, utilizando las expresiones obtenidas anteriormente, obtenemos la ecuación de la segunda ley de Newton. $a$

{\ Displaystyle F = ma}

Ejemplos de fuerzas entrópicas

Ejemplos de fuerzas de entropía son el fenómeno de la ósmosis y la elasticidad de una molécula de polímero que ocurren en sistemas macroscópicos. En los coloides, las moléculas coloidales grandes suspendidas en un medio térmico de partículas más pequeñas experimentan fuerzas de entropía debido al efecto de volumen excluido. En estos casos, existe una tendencia estadística a que el sistema vuelva a un estado de máxima entropía, lo que se traduce en una fuerza macroscópica.

Ley de Newton de la gravitación universal

Aquí, el científico analiza una superficie cerrada, una esfera, que se considera como un dispositivo de almacenamiento de información [1] . Suponiendo que se sigue el principio holográfico, el espacio de almacenamiento máximo, o el número total de bits, es proporcional al área . Toma el límite como un dispositivo de almacenamiento de información. Suponiendo que se observe el principio holográfico, entonces el espacio máximo de almacenamiento, o el número total de bits de información, debe ser proporcional al área . En la teoría del espacio emergente, el área se puede definir como cuando cada bit fundamental, por definición, ocupa una celda elemental. Por lo tanto, el número de bits es proporcional al área . Después $A$ $A$ $norte$ $A$

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

Aquí, es necesario considerar - como un nuevo valor constante introducido, que se determinará más adelante. Se supone que toda la energía del sistema, , se distribuye uniformemente sobre el número de bits . Entonces la temperatura está determinada por la ley de equipartición de la energía cinética en grados de libertad. $GRAMO$ $mi$ $norte$

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

Además, el científico recurre a la famosa formulación de la equivalencia de masa y energía:

{\ estilo de visualización \ E = Mc ^ {2}}

Donde, es una masa rodeada por una pantalla holográfica esférica (ver Fig.). $METRO$

A continuación, se comparan las dos expresiones de energía y se determina la temperatura absoluta a partir de la expresión del número de bits (dada anteriormente). El área de la esfera se sustituye en la expresión resultante . Así queda el resultado: ${\ estilo de visualización A = 4 \ pi R ^ {2}}$

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

Continuación de la teoría de Verlinde

En julio de 2011, Verlinde presentó un mayor desarrollo de sus ideas en un artículo en la conferencia Strings 2011, incluida una explicación del origen de la materia oscura [3] y un artículo titulado Emergent Gravity and the Dark Universe que se publicó en 2016 [4] .

La principal consecuencia de su teoría es explicar las curvas de rotación de la materia visible en las galaxias y por qué difieren del perfil esperado al aplicar las teorías de la gravedad aceptadas existentes (Newtoniana y Relatividad General). Esta explicación se hace sin referencia a la existencia de materia oscura en los centros de las galaxias. Verlinde escribe: “Los fenómenos observados actualmente atribuidos a la materia oscura son consecuencia de la naturaleza emergente de la gravedad y son causados por una respuesta elástica debida a la contribución de la ley de los volúmenes al entrelazamiento de la entropía de nuestro Universo” [4] . En otra parte: "Creemos que este enfoque y los resultados obtenidos nos dicen que los fenómenos asociados con la materia oscura son una consecuencia inevitable y lógica de la naturaleza emergente del propio espacio-tiempo" [4] .

De las teorías establecidas de la gravedad, dice que: "Sobre la base únicamente de las observaciones, es más apropiado decir que estas teorías familiares de la gravedad solo pueden mantenerse asumiendo la presencia de materia oscura" [4] .

Los artículos de Verlinde también atrajeron la atención de los medios e impulsaron nuevas investigaciones en los campos relacionados de la física y la cosmología.

Véase también

Literatura

Fuentes de divulgación científica

La teoría de la gravedad modificada explica la estructura del Universo a su manera ( https://habr.com/es/post/399121/ )
¿Por qué estamos buscando materia oscura y podemos encontrarla? ( https://www.bbc.com/russian/features-38499673 )
Eric Verlinde: la gravedad es una ilusión, un truco cósmico ( https://alter-science.info/p/58.html )
No hay lugar para la materia oscura en la nueva teoría de la gravedad ( https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity )

Materiales de video sobre el tema

Eric Verlinde, Conferencias públicas: una nueva mirada a la gravedad y el lado oscuro del espacio, Instituto Primera de Física Teórica [ [1] ]
La gravedad emergente y el universo oscuro, conferencia del prof. Erika Verlinde en la 63.ª Reunión Anual de la Sociedad Física de Israel en el Technion-Israel Institute of Technology, 17 de diciembre de 2017 [ [2] ]

Enlaces

↑ 1 2 3 4 EP Verlinde (2011). "Sobre el origen de la gravedad y las leyes de Newton". jhep _ 2011 (4) : 29.arXiv : 1001.0785 . Código Bib : 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 de julio de 2011.
↑ 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8 de noviembre de 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf