Гравитация — это всего лишь рост энтропии? Ещё раз взгляните на маловероятную идею.

Новый аргумент исследует, как рост беспорядка может привести к движению массивных объектов друг к другу. Физики одновременно заинтересованы и скептически настроены. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

Введение

Исаак Ньютон никогда не был полностью доволен своим законом всемирного тяготения. Десятилетиями после его публикации в 1687 году он пытался понять, как именно два тела могут притягиваться друг к другу на расстоянии. Он и другие учёные разработали несколько механических моделей, в которых гравитация была не притяжением, а отталкиванием. Например, пространство могло быть заполнено невидимыми частицами, бомбардирующими тела со всех сторон. Тело слева поглощает частицы, летящие слева, тело справа поглощает частицы, летящие справа, и в результате они прижимаются друг к другу.

Эти теории так и не были полностью реализованы, и Альберт Эйнштейн в конечном итоге предложил более глубокое объяснение гравитации как искажения пространства и времени. Однако концепция Эйнштейна, называемая общей теорией относительности, породила собственные загадки, и он сам признавал, что она не может быть окончательным решением. Поэтому идея о том, что гравитация — это коллективный эффект — не фундаментальная сила, а результат роевого поведения в более тонком масштабе, — до сих пор привлекает физиков.

Ранее в этом году группа физиков-теоретиков предложила то, что можно считать современной версией механических моделей XVII века. «Там есть какой-то газ или какая-то тепловая система, которую мы не можем наблюдать напрямую», — сказал Дэниел Карни из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, возглавлявший эту работу. «Но она каким-то образом случайным образом взаимодействует с массами, так что в среднем мы наблюдаем все известные нам явления обычной гравитации: Земля вращается вокруг Солнца и так далее».

Этот проект — один из многочисленных способов, которыми физики пытались понять гравитацию, а возможно, и сам искривлённый пространственно-временной континуум, как результат более глубокой, более микроскопической физики. Согласно теории Карни, известной как энтропийная гравитация, эта более глубокая физика, по сути, представляет собой всего лишь физику тепла. Согласно ей, гравитация возникает в результате того же случайного движения и смешения частиц — и сопутствующего роста энтропии, приблизительно определяемой как беспорядок, — который управляет паровыми котлами, автомобильными двигателями и холодильниками.

Попытки моделировать гравитацию как следствие роста энтропии время от времени предпринимались на протяжении нескольких десятилетий. Энтропийная гравитация – точка зрения меньшинства. Но она не угаснет, и даже критики не решаются полностью её отвергнуть. Новая модель обладает тем преимуществом, что её можно экспериментально проверить – редкость для теорий о таинственных основах всемирного тяготения.

Возникает сила

Теория гравитации Эйнштейна замечательна не только тем, что она работает (и делает это с возвышенной математической красотой), но и тем, что она выдаёт собственную неполноту. Общая теория относительности предсказывает, что звёзды могут коллапсировать, образуя чёрные дыры, и что в центрах этих объектов гравитация становится бесконечно сильной. Там пространственно-временной континуум разрывается, как переполненный пакет из-под продуктов, и теория не способна сказать, что произойдёт дальше. Более того, общая теория относительности имеет поразительные параллели с физикой тепла, хотя ни одна тепловая концепция не была учтена при её разработке. Она предсказывает, что чёрные дыры только растут, никогда не сжимаются, и только поглощают, никогда не извергают. Такая необратимость характерна для потока тепла. Когда тепло течёт, энергия принимает более хаотичную или неупорядоченную форму; как только это происходит, она вряд ли сможет спонтанно переупорядочиться. Энтропия количественно измеряет этот рост беспорядка.

Действительно, когда физики использовали квантовую механику для изучения того, что происходит в искривлённом пространстве-времени вокруг чёрной дыры, они обнаружили, что чёрные дыры испускают энергию, как и любое нагретое тело. Поскольку тепло — это хаотическое движение частиц, эти тепловые эффекты наводят многих исследователей на мысль, что чёрные дыры и пространственно-временной континуум в целом на самом деле состоят из каких-то частиц или других микроскопических компонентов.

Следуя за подсказками, полученными в результате изучения чёрных дыр, физики разработали несколько подходов к пониманию того, как пространство-время возникает из более микроскопических компонентов. Ведущий подход основан на так называемом голографическом принципе. Он гласит, что возникновение пространства-времени во многом похоже на обычную голограмму. Подобно тому, как голограмма создаёт ощущение глубины, создавая волнистый узор на плоской поверхности, узоры в микроскопических компонентах Вселенной могут порождать другое пространственное измерение. Это новое измерение искривлено, поэтому гравитация возникает естественным образом.

Энтропийная гравитация, введенная в знаменитой статье 1995 года физиком-теоретиком Тедом Джейкобсоном из Мэрилендского университета, занимает схожую, но отличную от неё позицию. Ранее физики исходили из теории Эйнштейна и выводили из неё теплоподобные следствия. Но Джейкобсон пошёл другим путём. Он исходил из предположения, что пространство-время обладает тепловыми свойствами, и использовал их для вывода уравнений общей теории относительности. Его работа подтвердила, что в параллелях между гравитацией и теплом есть нечто важное.

«Он перевернул термодинамику чёрных дыр с ног на голову», — сказал Карни. «Этот результат озадачил меня на всю мою взрослую жизнь».

Кажущееся влечение

Как гравитационное притяжение может возникнуть из более микроскопических компонентов? Вдохновлённые подходом Якобсона, Карни и его соавторы — Мантос Каридас, Тило Шарнхорст, Рошни Сингх и Джейкоб Тейлор — предложили две модели.

В первом случае пространство заполнено кристаллической решёткой квантовых частиц, или кубитов. Каждый из них имеет определённую ориентацию, подобно стрелке компаса. Эти кубиты выстраиваются в соответствии с близлежащим объектом, обладающим массой, и оказывают на него силу. «Если поместить массу где-нибудь в решётке, это приведёт к поляризации всех близлежащих кубитов — они все будут стремиться двигаться в одном направлении», — сказал Карни.

Переориентируя соседние кубиты, массивный объект создаёт область высокого порядка в решётке, состоящей из кубитов, ориентированных случайным образом. Если поместить в решётку две массы, то создадутся два таких области порядка. Высокий порядок означает низкую энтропию. Но естественная тенденция системы — максимизировать энтропию. Таким образом, по мере того, как массы перестраивают кубиты, а кубиты, в свою очередь, толкают массы, результирующий эффект будет заключаться в сжатии масс ближе друг к другу, чтобы упорядоченность сохранялась в меньшей области. Будет казаться, что две массы притягиваются друг к другу гравитационно, хотя на самом деле всю работу выполняют кубиты. И, как гласит закон Ньютона, кажущееся притяжение уменьшается пропорционально квадрату расстояния между массами.

Вторая модель устраняет сетку. Массивные объекты по-прежнему находятся в пространстве и подвергаются воздействию кубитов, но теперь эти кубиты не занимают какого-либо конкретного местоположения и могут находиться очень далеко. Карни сказал, что эта особенность призвана учесть нелокальность ньютоновской гравитации: каждый объект во Вселенной в той или иной степени воздействует на каждый другой объект.

Каждый кубит в модели способен запасать некоторое количество энергии; её количество зависит от расстояния между массами. Когда массы находятся далеко друг от друга, энергоёмкость кубита высока, поэтому полная энергия системы может уместиться всего в нескольких кубитах. Но если массы расположены ближе друг к другу, энергоёмкость каждого кубита падает, поэтому полная энергия должна быть распределена по большему числу кубитов. Последнее соответствует более высокой энтропии, поэтому естественное стремление системы — сблизить массы, опять же в соответствии с ньютоновской гравитацией.

Сильные и слабые стороны

Карни предупредил, что обе модели являются ad hoc. Независимых данных об этих кубитах нет, и ему с коллегами пришлось точно настроить величину и направление силы, создаваемой ими. Возникает вопрос, является ли это каким-либо улучшением по сравнению с признанием гравитации фундаментальной. «На самом деле, похоже, для этого требуется некое необычное, на первый взгляд, искусственно созданное взаимодействие», — сказал Карни.

И работает лишь закон всемирного тяготения Ньютона, а не полный аппарат теории Эйнштейна, где гравитация эквивалентна кривизне пространства-времени. Для Карни эти модели — лишь доказательство принципа — демонстрация того, что, по крайней мере, поведение роя может объяснить гравитационное притяжение, — а не реалистичная модель устройства Вселенной. «Онтология всего этого туманна», — сказал он.

Марк Ван Раамсдонк, физик из Университета Британской Колумбии, сомневается, что эти модели действительно представляют собой доказательство принципа. Ван Раамсдонк, специалист по голографии, ведущему подходу к пониманию эмерджентного пространства-времени, отмечает, что новые энтропийные модели не обладают ни одним из свойств, которые делают гравитацию особенной, например, тем фактом, что вы не ощущаете гравитационной силы при свободном падении в пространстве-времени. «Их конструкция на самом деле не имеет никакого отношения к гравитации», — сказал он.

Более того, модели основаны на одном аспекте гравитации, который, по мнению физиков, они уже понимают. Закон Ньютона естественным образом вытекает из теории Эйнштейна, когда гравитация сравнительно слаба, как, например, на Земле. Именно там, где гравитация становится сильнее, как в чёрных дырах, она становится странной, и энтропийная модель ничего об этом не говорит. «Настоящая проблема в гравитационной физике — понять её режим сильной связи и сильного поля», — сказал Рами Брустейн, теоретик из Университета Бен-Гуриона, который признался, что раньше симпатизировал энтропийной гравитации, но теперь охладел к ней.

Сторонники энтропийной гравитации возражают, что физикам не следует быть столь уверенными в поведении гравитации, когда она слаба. Если гравитация действительно является коллективным эффектом кубитов, то закон ньютоновской силы представляет собой статистическое среднее значение, и эффект от момента к моменту будет колебаться вокруг этого среднего значения. «Нужно переходить к очень слабым полям, потому что тогда эти флуктуации могут стать наблюдаемыми», — сказал Эрик Верлинде из Амстердамского университета, который отстаивал энтропийную гравитацию в широко обсуждаемой статье 2010 года и продолжил развивать эту идею.

Тестирование энтропийной гравитации

Карни считает, что главное преимущество новых моделей заключается в том, что они подталкивают к концептуальным вопросам о гравитации и открывают новые экспериментальные направления.

Предположим, что массивное тело находится в квантовой комбинации, или «суперпозиции», находясь в двух разных местах. Будет ли его гравитационное поле также находиться в суперпозиции, притягивая падающие тела в двух разных направлениях? Новые модели энтропийной гравитации предсказывают, что кубиты будут воздействовать на массивное тело, чтобы вывести его из затруднительного положения, подобного положению кота Шрёдингера.

Этот сценарий связан с часто обсуждаемым вопросом о коллапсе волновой функции, который спрашивает, как измерение квантовой системы в состоянии суперпозиции приводит к тому, что её множественные возможные состояния превращаются в одно определённое состояние. Некоторые физики предполагают, что этот коллапс вызван некой внутренней случайностью во Вселенной. Эти предположения отличаются в деталях от гипотезы Карни, но имеют схожие проверяемые последствия. Они предсказывают, что изолированная квантовая система в конечном итоге коллапсирует сама собой, даже если её никогда не измеряли и не подвергали иному внешнему воздействию. «В принципе, одни и те же экспериментальные установки можно использовать для проверки обоих вариантов», — сказал Анджело Басси из Триестского университета, который руководил проведением подобных экспериментов, уже исключив некоторые модели коллапса.

Несмотря на все свои сомнения, Ван Раамсдонк согласен, что подход энтропийной гравитации стоит попробовать. «Поскольку не установлено, что реальная гравитация в нашей Вселенной возникает голографически, безусловно, важно исследовать другие механизмы её возникновения», — сказал он. И если эта маловероятная теория окажется верна, физикам придётся обновить знаменитый постер художника Джерри Муни, посвящённый гравитации, на котором написано: «Гравитация. Это не просто хорошая идея. Это закон». Возможно, гравитация на самом деле не закон, а всего лишь статистическая тенденция.

Источник: www.quantamagazine.org