#84 Dziś będzie entropicznie, czyli Entropijna Teoria Grawitacji

 

0. Wstęp.

Dziś o Newtonie. Zieeeew. Późno już, i będę przynudzał. O tym jak to jabłko wytyczyło nowy kierunek w fizyce. To bujda na resorach. Newton nigdy nie leżał pod drzewem i nie spadło mu na głowę jabłko, po czym nie krzyknął, rzekomo, Eureka! A może to Euklides? A może Platfusonides? Tak, wiem, moje suchary robią się coraz cięższe. Tak ciężkie, że zaraz spadną mi na głowę. Może odkryję to, że nie powinienem żartować z fizyki? Ale skoro inni mówią o fizyce jąder, to moje niewinne żarciki są chyba na miejscu. Z nastawieniem na chyba.

Entropia i grawitacja. Co mają wspólnego te dwa zagadnienia? Zaraz Wam wyłuszczę, to znaczy opowiem. Celowo używam staromodnego słownictwa, takiego jak np. 'Serwus' zamiast cześć, bo przecież młodzieniaszkiem już nie jestem. Nie chcę sobie odejmować lat. Jestem z Wami szczery. Naprawdę. Przepraszam za żart o fizyce jąder, ale musiałem! Rozumiecie, ze człowiek czasem musi, inaczej się udusi? Te moje żarty też są po to. Żeby się nie zadusić tą trudną fizyką :)

1. A więc... 

(nie zaczyna się zdania od więc, ale skoro jestem Tłukiem tak jak Wy, to mi wybaczycie) Sir Issac Newton. Zaraz, gdzie ja to miałem. Zdjęcie Isaaca gdzieś mi wypadło w autobusie, zrobiłem sobie z nim selfie bo spotkałem go w rynku. Wszystko mi opowiedział. A selfie robiłem Polaroidem.

Onże nigdy nie był zadowolony ze swojego prawa powszechnego ciążenia. Tego, jak je sformułował. Przez dekady po opublikowaniu go w 1687, poszukiwał odpowiedzi, jak to możliwe, że dwa obiekty umieszczone z dala od siebie przyciągają się. On i jego współpracownicy opracowali kilka modeli, w których grawitacja nie była przyciąganiem, ale pchaniem. Na przykład, przestrzeń może być wypełniona niewidocznymi cząstkami, które bombardują obiekty ze wszystkich stron. Obiekt od swojej lewej strony absorbuje cząstki przylatujące z lewej, po prawej absorbuje te przybywające od prawej strony, a efektem jest popychanie obiektu.

Te teorie nigdy dobrze nie działały, dopiero Albert Einstein dostarczył głębszego zrozumienia, ano takiego, że grawitacja to zaburzenie czasoprzestrzeni. Ale rozwiązanie Einsteina przyniosło nowe pytania, a on nigdy nie uznał swojej ogólnej teorii względności ostateczną. Dlatego pomysł, że grawitacja jest sumą pewnych oddziaływań, a nie siłą fundamentalną, dalej zajmuje fizyków. Otóż, może ona być rezultatem zachowań w mniejszej skali.

W tym roku fizycy teoretycy z pewnego igloo nad jeziorem genewskim przedstawili coś, co może być uważane za nowszą wersję 17-wiecznego modelu mechanicznego. Daniel Carney twierdzi, że może istnieć pewnego rodzaju gaz albo system termiczny, którego możemy nie dostrzegać bezpośrednio. Losowo wchodzi on (nie Carney, tylko gaz) w interakcję z masami w pewien ściśle określony sposób, tak, że w uśrednieniu tej interakcji widzimy wszystkie zwykłe zachowania grawitacyjne, Słońce krąży wokół Ziemi (ups, zapomniałem uwzględnić teorię kopernikańską, no ale przecież mówimy o Newtonie, każdy mógł się pomylić ;)), ziemniaki spadają nam na głowy z jabłonek, gdy leżymy sobie pod słoneczkiem. I tak dalej.

2. Projekt Entropia.

Ten projekt jest jedną z wielu możliwości, jakie uwzględniają fizycy w poszukiwaniu zrozumienia grawitacji. A także - uginającego się kontinuum czasoprzestrzennego samego w sobie, jako emergentnego (wyłaniającego się z...) z głębszej, bardziej mikroskopowej fizyki. Myśl Carneya biegła tak szybko, że nie zdążyłem jej zapisać. Żartuję. Carney opracował coś w stylu Grawitacji Entropijnej. Też szybko, jak myśl, pach, pach! Tak myślą fizycy, właśnie tak, pach, pach ;) Dobra, kontynuujmy po dygresji. Głupio mi, że tak się wygłupiam, ale liczę na to, że zrozumiecie. Miałem ciężki dzień.

Co tłumaczy fakt, że doskonale rozumiem tok rozumowania Carneya. Trzeba być naprawdę zwichrowanym, by takie rzeczy rozumieć, pisać o nich i czytać ;)

Ta entropijna grawitacja jest rezultatem mikroskopowej fizyki cieplnej. Mówi, że grawitacja jest wynikiem dosłownie żonglowania i mieszania się cząstek - i podobno jest efektem, który powoduje zaistnienie entropii, pobieżnie rozumianej jako stopnia nieporządku układu. Te prawa rządzą bojlerami, silnikami samochodowymi i lodówkami. Pralkami - nie wiem, trzeba by zapytać Carneya, ale on może nie wiedzieć, co to pralka. Tak zakręceniu są fizycy ;)

Pomysły, aby przedstawić grawitację jako efekt wzrastania i występowania entropii jest znany od kilku dekad. Grawitacja entropijna ma niewielu zwolenników, ale nawet przeciwnicy nie są za tym, by ją sprzątnąć z powierzchni ziemi. Nowy model ma te przewagę, że jest eksperymentalnie sprawdzalny - to rzadkość w egzotycznych teoriach przyciągania grawitacyjnego.

3. Wyłania się moc, używamy jej oczywiście na Lordzie Vaderze. A przepraszam, wyłania się siła. Moc to wielkość fizyczna ;)

Teoria Einsteina jest tak wspaniała nie tylko dlatego, że jest działającą i wysublimowaną matematyczną koncepcją, ale także dlatego, że sama o sobie mówi, że jest niekompletna. Ogólna teoria względności przewiduje, że gwiazdy zapadają się do czarnych dziur i że grawitacja w ich centrum staje się nieskończenie silna. Wtedy kontinuum czasoprzestrzenne dosłownie rozrywa się, a teoria nie wie, co ma robić dalej. To znaczy brakuje jej przewidywań, co następuje po takim rozerwaniu. Poza tym, ogólna teoria względności nieodzownie wykazuje podobieństwa do fizyki ciepła, pomimo, iż nie została w niej zawarta żadna wzmianka o wielkościach termicznych. Einstein pokazuje w ogólnej teorii względności, że czarne dziury tylko rosną i tylko pochłaniają. Taka nieodwracalność jest charakterystyczna dla przepływu ciepła. Kiedy ciepło przenosi się, energia przybiera bardziej losową lub inaczej mówiąc, zdezorganizowaną formę. Kiedy już ów fakt nastąpi, proces odwrotny jest wysoce nieprawdopodobny. Entropia jest liczbą takiego zdezorganizowania. A raczej wielkością fizyczną, która opisuje stopień chaosu.

W rzeczy samej, kiedy fizycy użyli mechaniki kwantowej do opisu sytuacji zachodzących w otoczeni czarnej dziury, w zagiętej czasoprzestrzeni, okazało się, że czarne dziury wydzielają energię jak każde gorące ciało. A ponieważ ciepło jest losowym ruchem cząstek, te efekty cieplne wskazują i wielu badaczy przyjmuje to za pewna wskazówkę, że czarne dziury i kontinuum czasoprzestrzenne ogólnie rzecz biorąc, składają się z pewnego rodzaju cząstek lub innych mikroskopowych składników.

4. Czarne dziury i entropijna grawitacja.

Podążając za wskazówkami, jakich udzielają czarne dziury, fizycy spoza igloo nad jeziorem genewskim próbowali dotrzeć do faktu, jak czasoprzestrzeń me wyłaniać się z mniejszych komponentów. Wiodącą teorią jest zasada holograficzna. Mówi ona, że wyłanianie się czasoprzestrzeni działa trochę jak kilogram. Hologram. Tak, jednak hologram, sprawdziłem w swoim słowniku język polskiego w głowie. Bo brzmią podobnie... Każdemu... itp. ;)

Tak samo, jak hologram przywołuje głębię z falowanego wzoru wplecionego w swoja płaską powierzchnię, tak wzory mikroskopijnych składników mogą dać efekt powstania nowego wymiaru przestrzennego. Ten nowy wymiar jest zagięty, a grawitacja powstaje jako efekt istnienia tego wymiaru.

Grawitacja entropijna, wprowadzona w 1995 roku przez słynną żabcię Monikę i Kulfona, eee, to nie ta bajka (ale też bajka, bo fizyka to piękna bajka, nie uważacie? :)), raczej przez Teda Jacobsona z Uniwersytetu w Maryland (Krainy Maryli, albo Krainy Marii), wprowadza istotny fakt do dyskusji. Poprzednio fizycy rozpoczynali od teorii Einsteina i wnioskowali z niej o konsekwencjach termodynamicznych układów. Ale Jacobson obrał inną ścieżkę. Rozpoczął od założenia, że czasoprzestrzeń ma właściwości cieplne i użył ich do rozwinięcia równań ogólnej teorii względności. Jego praca dowiodła, że istnieje istotny związek między grawitacją a ciepłem. Jak się przyciągamy, czyli przytulamy, robi się cieplej. Phi, też mi odkrywca ;)

Jak grawitacja mogła wyłonić się z mikroskopowych składników? Carney inspirował się pracą Jacobsena. Miał kilku współautorów ale to były foki i szczury, dlatego nie przytoczę ich nazwisk. Żartuję, nie chce mi się ;)

5. Dwa modele grawitacji entropijnej.

W pierwszym - przestrzeń jest wypełniona krystaliczną siecią cząstek kwantowych lub kubitów. Każdy z nich ma orientację, jak igła kompasu. Te kubity przypisują się do bliskich sobie obiektów o danej masie i wywierają na obiekt działanie siłą. Jeśli położymy na tej siatce obiekt posiadający masę, bliskie mu kubity spolaryzują się. Wszystkie będą próbowały poruszać się w jednym kierunku. Poprze reorientację kubitów, obiekt posiadający masę tworzy kieszeń ścisłe uporządkowanych kubitów, w przeciwieństwie do innych kubitów, które są losowo zorientowane. Kiedy umieścimy drugi obiekt w siatce, tworzymy dwie kieszenie zorientowanych kubitów. Wysoki poziom uporządkowania oznacza niską entropię. Ale naturalnym ruchem w naturze, jak i tego systemu, jest kierunek od mniejszej entropii ku większej.

Teraz, uwaga. Masy reorientują kubity, a kubity owijają, tak, dosłownie owijają masę (tworzą tzw. kwantowy kebab ;)), wynikiem sumy tych dwóch działań będzie ściśniecie się mas, aby zamieścić uporządkowanie na mniejszym obszarze. Będzie to wyglądało tak, jakby dwie masy przyciągały się grawitacyjnie, kiedy w istocie kubity odwalają całą robotę. A jak mówi prawo Newtona, pozorne przyciąganie będzie równało się kwadratowi odległości między masami.

Model drugi. Drugi model, a raczej model drugi, czy też drugi model, inaczej zwany modelem drugim, w pewnych kręgach określany jako drugi model, a szczury... 

Ten model drugi pozbywa się siatki. Masywne obiekty wciąż znajdują się w obrębie przestrzeni i działają na nie kubity, jednakże tutaj te kubity nie znajdują się w bezpośrednim otoczeniu obiektów i mogą znajdować się daleko od nich. Carney twierdzi, że ten model powinien uczynić zadość newtońskiej nielokalności grawitacji. Każdy obiekt we Wszechświecie  działa na każdy inny, do pewnego stopnia.

Każdy kubit w tym (a jakże) modelu może przechowywać pewna ilość energii. Wielkość ta zależy od odległości między masami. Kiedy są daleko od siebie, pojemność energetyczna kubitu jest wysoka, tak, że ogólna energia systemu może zmieścić się w zaledwie kliku kubitach. Ale kiedy masy są blisko siebie, zasobność na energie każdego kubitu spada, tak, że ogólna ilość energii rozkłada się na więcej kubitów. Końcowa sytuacja odnosi się do stanów o wysokiej entropii, a naturalny odruch systemu popycha masy do siebie. To po to, aby zachować zgodność z newtońską teorią grawitacji.

6. Wady i zalety, plusy i minusy, koty i psy.

Carney doradza ostrożność. Nie ma dowodu na istnienie owych kubitów. Jest to teoria trochę na pokaz - okazuje się, ż można ująć grawitację w inny model, a i tak będzie działał. Można po prostu inaczej wyjaśnić grawitację, niekoniecznie w sposób realistyczny - i tego dowiódł Carney. Fajnie, ale po co?

Owa teoria pokazuje, jak wspaniała i daleko idąca w konsekwencjach dla funkcjonowania całego Wszechświata jest teoria grawitacji. A jak w praktyce? Czy da się przetestować entropijną teorię grawitacji?

Otwiera ona nowe ścieżki rozwoju dla fizyki doświadczalnej. Okazuje się także, że pewne zachowania kubitów mogą przypominać kwantowo mechaniczne zachowania cząstek, np. zachowywać stan superpozycji, a także, że kubity będą dążyć do wyrwania obiektu z o dużej masie z tego stanu.

7. Na koniec coś ekstra - kolaps funkcji falowej a grawitacja!

Kolaps funkcji falowej mikroskopowego obiektu to stan, w którym po dokonaniu na nim pomiaru (obserwacji), jego stan z superpozycji (czyli przebywania w kilku miejscach jednocześnie) zapada się do jednego wyniku. Niektórzy fizycy uważają, że ten kolaps dokonuje się ze względu na jakąś wewnętrzną właściwość Wszechświata - jego losowość. Tzn., że jest on fundamentalnie losowy... Te propozycje różnią się w szczegółach od tej Carneya, ale mają podobne mierzalne konsekwencje. Przewidują, że izolowany system kwantowy w końcu dokona kolapsu w sobie tylko znany sposób, nawet, jeśli nigdy nie będzie poddany aktowi obserwacji. Jedna z fok, towarzysząca Carneyowi w eksperymentach, dowiodła, że można żonglować piłeczkami nawet jedną płetwą.

A poważnie, asystent Carneya już wykluczył pewne modele kolapsów w teorii entropijnej. Kwestia czasu, gdy wskazane zostaną inne własności kwantowe wynikające z entropijnej grawitacji. Najpierw ogólna teoria względności, teraz mechanika kwantowa. Widzicie, że entropijna grawitacja zahacza o dwie sprzeczne ze sobą ale wielkie i działające teorie?

Grawitacja entropijna stoi w szeregu z teoria holograficzną jako niesprawdzona i nie dowiedziona, ale jakże ciekawa. Wręcz porywająca. Może grawitacja to nie pomysł, idea, prawo, ale tylko tendencja statystyczna?

Tako rzecze @diesphys.

I koniec.