Gravedad entrópica

Teoría de la física moderna que describe la gravedad como una fuerza entrópica.

La teoría de la gravedad entrópica se rige por la ley de gravitación universal de Newton en la Tierra y en distancias interplanetarias, pero difiere de esta naturaleza clásica en distancias interestelares.

La gravedad entrópica , también conocida como gravedad emergente , es una teoría de la física moderna que describe la gravedad como una fuerza entrópica —una fuerza con homogeneidad a escala macro pero que está sujeta a un desorden a nivel cuántico— y no una interacción fundamental . La teoría, basada en la teoría de cuerdas , la física de los agujeros negros y la teoría de la información cuántica , describe la gravedad como un fenómeno emergente que surge del entrelazamiento cuántico de pequeños fragmentos de información del espacio-tiempo . Como tal, se dice que la gravedad entrópica cumple con la segunda ley de la termodinámica según la cual la entropía de un sistema físico tiende a aumentar con el tiempo.

La teoría ha sido controvertida dentro de la comunidad física, pero ha provocado investigaciones y experimentos para probar su validez.

Significado

En su forma más simple, la teoría sostiene que cuando la gravedad se vuelve cada vez más débil (niveles que sólo se ven a distancias interestelares) se aparta de su naturaleza clásicamente entendida y su fuerza comienza a decaer linealmente con la distancia a la masa.

La gravedad entrópica proporciona un marco subyacente para explicar la Dinámica Newtoniana Modificada , o MOND, que sostiene que en un umbral de aceleración gravitacional de aproximadamente1,2 × 10 ⁻¹⁰  m/s ² , la fuerza gravitacional comienza a variar de forma inversamente lineal con la distancia desde una masa en lugar de la ley normal del cuadrado inverso de la distancia. Se trata de un umbral extremadamente bajo, que mide sólo 12 billonésimas de la fuerza de la gravedad en la superficie de la Tierra ; un objeto lanzado desde una altura de un metro caería durante 36 horas si la gravedad de la Tierra fuera tan débil. También es 3.000 veces menor que el remanente del campo gravitacional de la Tierra que existe en el punto donde la Voyager 1 cruzó la heliopausa del sistema solar y entró en el espacio interestelar.

La teoría afirma ser consistente tanto con las observaciones a nivel macro de la gravedad newtoniana como con la teoría de la relatividad general de Einstein y su distorsión gravitacional del espacio-tiempo. Es importante destacar que la teoría también explica (sin invocar la existencia de materia oscura ni modificar sus nuevos parámetros libres ) por qué las curvas de rotación galáctica difieren del perfil esperado con la materia visible.

La teoría de la gravedad entrópica postula que lo que se ha interpretado como materia oscura no observada es el producto de efectos cuánticos que pueden considerarse como una forma de energía oscura positiva que eleva la energía del vacío del espacio desde su valor de estado fundamental. Un principio central de la teoría es que la energía oscura positiva conduce a una contribución de la ley del volumen térmico a la entropía que supera la ley del área del espacio anti-de Sitter precisamente en el horizonte cosmológico .

Por tanto, esta teoría proporciona una explicación alternativa de lo que la física dominante atribuye actualmente a la materia oscura . Dado que se cree que la materia oscura constituye la gran mayoría de la masa del universo, una teoría en la que esté ausente tiene enormes implicaciones para la cosmología . Además de continuar el trabajo teórico en varias direcciones, hay muchos experimentos planeados o en progreso para detectar o determinar mejor las propiedades de la materia oscura (más allá de su atracción gravitacional), todos los cuales se verían socavados por una explicación alternativa de los efectos gravitacionales. actualmente atribuido a esta elusiva entidad.

Origen

La descripción termodinámica de la gravedad tiene una historia que se remonta al menos a la investigación sobre la termodinámica de los agujeros negros realizada por Bekenstein y Hawking a mediados de los años setenta. Estos estudios sugieren una conexión profunda entre la gravedad y la termodinámica, que describe el comportamiento del calor. En 1995, Jacobson demostró que las ecuaciones de campo de Einstein que describen la gravitación relativista pueden derivarse combinando consideraciones termodinámicas generales con el principio de equivalencia . ^[1] Posteriormente, otros físicos, en particular Thanu Padmanabhan , comenzaron a explorar los vínculos entre la gravedad y la entropía . ^{[2] [3]}

La teoría de Erik Verlinde

En 2009, Erik Verlinde propuso un modelo conceptual que describe la gravedad como una fuerza entrópica. ^[4] Sostiene (similar al resultado de Jacobson) que la gravedad es una consecuencia de la "información asociada con las posiciones de los cuerpos materiales". ^[5] Este modelo combina el enfoque termodinámico de la gravedad con el principio holográfico de Gerard 't Hooft . Implica que la gravedad no es una interacción fundamental , sino un fenómeno emergente que surge del comportamiento estadístico de grados de libertad microscópicos codificados en una pantalla holográfica. El artículo generó una variedad de respuestas de la comunidad científica. Andrew Strominger , un teórico de cuerdas de Harvard, dijo: "Algunas personas han dicho que no puede ser correcto, otras que es correcto y ya lo sabíamos: que es correcto y profundo, correcto y trivial". ^[6]

En julio de 2011, Verlinde presentó el desarrollo de sus ideas en una contribución a la conferencia Strings 2011, incluida una explicación del origen de la materia oscura. ^[7]

El artículo de Verlinde también atrajo una gran cantidad de exposición en los medios, ^{[8] [9]} y condujo a un trabajo de seguimiento inmediato en cosmología, ^{[10] [11]} la hipótesis de la energía oscura , ^[12] la aceleración cosmológica , ^{[13] [14 ]} inflación cosmológica , ^[15] y gravedad cuántica de bucles . ^[16] Además, se ha propuesto un modelo microscópico específico que de hecho conduce a que la gravedad entrópica surja a gran escala. ^[17] La ​​gravedad entrópica puede surgir del entrelazamiento cuántico de horizontes locales de Rindler . ^[18]

Derivación de la ley de gravitación.

La ley de gravitación se deriva de la mecánica estadística clásica aplicada al principio holográfico , que establece que la descripción de un volumen de espacio puede considerarse como bits de información binaria, codificados en un límite a esa región, una superficie de área cerrada . La información se distribuye uniformemente en la superficie y cada bit requiere un área igual a , la llamada área de Planck , a partir de la cual se puede calcular: ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \ell _{\text{P}}^{2}}$ ${\displaystyle N}$

$${\displaystyle N={\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}}$$

longitud de Planck ${\displaystyle \ell _{\text{P}}}$

$${\displaystyle \ell _{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}$$

constante gravitacional universalconstante de Planck ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \hbar }$ ${\displaystyle N}$

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

El teorema de equipartición estadística define la temperatura de un sistema con grados de libertad en términos de su energía tal que: ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle E}$

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

constante de Boltzmannenergía equivalente ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ ${\displaystyle M}$

$${\displaystyle E=Mc^{2}.}$$

La temperatura efectiva experimentada debido a una aceleración uniforme en un campo de vacío según el efecto Unruh es:

$${\displaystyle T={\frac {\hbar a}{2\pi ck_{\text{B}}}},}$$

segunda ley ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle F}$

$${\displaystyle F=ma.}$$

Tomando la pantalla holográfica como una esfera de radio , el área de la superficie estaría dada por: ${\displaystyle r}$

$${\displaystyle A=4\pi r^{2}.}$$

De la sustitución algebraica de éstas en las relaciones anteriores, se deriva la ley de gravitación universal de Newton :

$${\displaystyle F=m{\frac {2\pi ck_{\text{B}}T}{\hbar }}=m{\frac {4\pi c}{\hbar }}{\frac {E}{N}}=m{\frac {4\pi c^{3}}{\hbar }}{\frac {M}{N}}=m4\pi {\frac {GM}{A}}=G{\frac {mM}{r^{2}}}.}$$

Tenga en cuenta que esta derivación supone que el número de bits binarios de información es igual al número de grados de libertad.

$${\displaystyle {\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}=N={\frac {2E}{k_{\text{B}}T}}}$$

Crítica y pruebas experimentales.

La gravedad entrópica, propuesta por Verlinde en su artículo original, reproduce las ecuaciones de campo de Einstein y, en una aproximación newtoniana, un potencial para las fuerzas gravitacionales. Dado que sus resultados no difieren de la gravedad newtoniana excepto en regiones de campos gravitacionales extremadamente pequeños, no parece factible probar la teoría con experimentos de laboratorio terrestres. Los experimentos basados ​​en naves espaciales realizados en puntos lagrangianos dentro de nuestro sistema solar serían costosos y desafiantes. ${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{r}}\ }$

Aun así, la gravedad entrópica en su forma actual ha sido seriamente cuestionada por motivos formales. Matt Visser ha demostrado ^[19] que el intento de modelar fuerzas conservativas en el caso newtoniano general (es decir, para potenciales arbitrarios y un número ilimitado de masas discretas) conduce a requisitos no físicos para la entropía requerida e implica un número antinatural de baños de temperatura de diferente magnitud. temperaturas. Visser concluye:

No hay duda razonable sobre la realidad física de las fuerzas entrópicas, y no hay duda razonable de que la relatividad general clásica (y semiclásica) esté estrechamente relacionada con la termodinámica [52-55]. Con base en el trabajo de Jacobson [1–6], Thanu Padmanabhan [7–12] y otros, también hay buenas razones para sospechar que podría ser posible una interpretación termodinámica de las ecuaciones totalmente relativistas de Einstein. Aún está por verse si las propuestas específicas de Verlinde [26] son ​​tan fundamentales: la construcción bastante barroca necesaria para reproducir con precisión la gravedad newtoniana de n cuerpos en un entorno tipo Verlinde ciertamente da que pensar.

Para la derivación de las ecuaciones de Einstein desde una perspectiva de la gravedad entrópica, Tower Wang muestra ^[20] que la inclusión de la conservación del momento de la energía y los requisitos de homogeneidad cosmológica e isotropía restringe severamente una amplia clase de modificaciones potenciales de la gravedad entrópica, algunas de las cuales se han utilizado generalizar la gravedad entrópica más allá del caso singular de un modelo entrópico de las ecuaciones de Einstein. Wang afirma que:

Como lo indican nuestros resultados, los modelos de gravedad entrópica modificados de la forma (2), si no se eliminan, deberían vivir en una habitación muy estrecha para asegurar la conservación de la energía-momento y acomodar un universo isotrópico homogéneo.

Se pueden utilizar observaciones cosmológicas utilizando la tecnología disponible para probar la teoría. Sobre la base de la lente del cúmulo de galaxias Abell 1689, Nieuwenhuizen concluye que EG está totalmente descartado a menos que se agreguen neutrinos eV adicionales similares a la materia (oscura). ^[21] Un equipo del Observatorio de Leiden que observó estadísticamente el efecto de lentes de los campos gravitacionales a grandes distancias de los centros de más de 33.000 galaxias encontró que esos campos gravitacionales eran consistentes con la teoría de Verlinde. ^{[22] [23] [24]} Usando la teoría gravitacional convencional, los campos implicados en estas observaciones (así como a partir de las curvas de rotación de galaxias medidas ) solo podrían atribuirse a una distribución particular de materia oscura . En junio de 2017, un estudio realizado por el investigador de la Universidad de Princeton Kris Pardo afirmó que la teoría de Verlinde es inconsistente con las velocidades de rotación observadas de las galaxias enanas . ^{[25] [a] [26]} Otra teoría de la entropía basada en consideraciones geométricas (Termodinámica Geométrica Cuantitativa, QGT ^[27] ) proporciona una base entrópica para el principio holográfico ^[28] y también ofrece otra explicación para las curvas de rotación de las galaxias debido a a la influencia entrópica ^[27] del agujero negro supermasivo central que se encuentra en el centro de una galaxia espiral.

En 2018, Zhi-Wei Wang y Samuel L. Braunstein demostraron que, si bien las superficies del espacio-tiempo cercanas a los agujeros negros (llamados horizontes extendidos) obedecen a un análogo de la primera ley de la termodinámica, las superficies del espacio-tiempo ordinarias, incluidas las pantallas holográficas, generalmente no lo hacen, por lo que socavando el supuesto termodinámico clave del programa de gravedad emergente. ^[29]

En su conferencia de 1964 sobre la relación entre las matemáticas y la física, Richard Feynman describe una teoría relacionada de la gravedad en la que la fuerza gravitacional se explica debido a una fuerza entrópica debida a grados de libertad microscópicos no especificados. ^[30] Sin embargo, inmediatamente señala que la teoría resultante no puede ser correcta ya que el teorema de fluctuación-disipación también conduciría a una fricción que ralentizaría el movimiento de los planetas, lo que contradice las observaciones.

Gravedad entrópica y coherencia cuántica.

Otra crítica a la gravedad entrópica es que los procesos entrópicos deberían, como sostienen los críticos, romper la coherencia cuántica . Sin embargo, no existe un marco teórico que describa cuantitativamente la fuerza de tales efectos de decoherencia. La temperatura del campo gravitacional en el pozo de gravedad terrestre es muy pequeña (del orden de 10 ⁻¹⁹ K).

Se afirma que los experimentos con neutrones ultrafríos en el campo gravitacional de la Tierra muestran que los neutrones se encuentran en niveles discretos exactamente como lo predice la ecuación de Schrödinger, considerando que la gravitación es un campo potencial conservador sin ningún factor decoherente. Archil Kobakhidze sostiene que este resultado refuta la gravedad entrópica, ^[31] mientras que Chaichian et al . sugieren una posible laguna en el argumento en campos gravitacionales débiles como los que afectan los experimentos en la Tierra. ^[32]

Ver también

• Fuerza de Abraham-Lorentz  : fuerza de retroceso sobre una partícula cargada en aceleración
• Más allá de los agujeros negros  – Área de estudio
• Electrón de agujero negro  : concepto hipotético en física
• Fuerza entrópica  : fuerza física que se origina en la termodinámica en lugar de interacciones fundamentales.
• Radiación de Hawking  : radiación térmica que se cree que emiten los agujeros negros debido a efectos cuánticos
• Lista de investigadores de la gravedad cuántica
• Elasticidad entrópica de una cadena ideal  : modelo molecular para describir polímeros.
• Gravedad  – Atracción de masas y energía.
• Gravedad inducida  : modelo en el que la curvatura del espacio-tiempo y su dinámica emergen como una aproximación de campo medio de los grados de libertad microscópicos subyacentes.Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa

Notas a pie de página

1. "La gravedad emergente predice con éxito las velocidades de rotación de las galaxias más pequeñas de la muestra. Pero predice velocidades demasiado bajas para las galaxias más masivas, especialmente las llenas de nubes de gas. Esta discrepancia podría plantear un problema grave para la gravedad emergente, ya que El principal éxito de la teoría hasta ahora ha sido predecir las curvas de rotación de las grandes galaxias". ^[25]

Referencias

1. Jacobson, Theodore (4 de abril de 1995). "Termodinámica del espacio-tiempo: la ecuación de estado de Einstein". Física. Rev. Lett . 75 (7): 1260-1263. arXiv : gr-qc/9504004 . Código bibliográfico : 1995PhRvL..75.1260J. doi :10.1103/PhysRevLett.75.1260. PMID  10060248. S2CID  13223728.
2. Padmanabhan, Thanu (2010). "Aspectos termodinámicos de la gravedad: nuevos conocimientos". Prog. Rep. Física . 73 (4): 6901. arXiv : 0911.5004 . Código bibliográfico : 2010RPPh...73d6901P. doi :10.1088/0034-4885/73/4/046901. S2CID  209835245.
3. Mok, HM (13 de agosto de 2004). "Explicación adicional del problema de la constante cosmológica mediante el espacio-tiempo discreto mediante el principio holográfico modificado". arXiv : física/0408060 .
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6. Adiós, Dennis (12 de julio de 2010). "Un científico se enfrenta a la gravedad". Los New York Times . Consultado el 6 de septiembre de 2010 .
7. E. Verlinde, The Hidden Phase Space of our Universe Archivado el 17 de abril de 2021 en Wayback Machine , Strings 2011, Uppsala, 1 de julio de 2011.
8. La fuerza de la entropía: una nueva dirección para la gravedad, New Scientist , 20 de enero de 2010, número 2744
9. La gravedad es una forma entrópica de información holográfica, Revista Wired , 20 de enero de 2010
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Otras lecturas

• Es de bits – Gravedad entrópica para peatones, J. Koelman
• Gravedad: la historia interna, T Padmanabhan
• Los experimentos muestran que la gravedad no es un fenómeno emergente