Исаак Ньютон никогда не был полностью доволен своим законом всемирного тяготения. В течение десятилетий после его публикации в 1687 году он пытался понять, как именно два объекта могли притягивать друг друга издалека. Он и другие придумали несколько механических моделей, в которых гравитация была не притяжением, а толчком. Например, пространство может быть заполнено невидимыми частицами, которые бомбардируют объекты со всех сторон. Объект слева поглощает частицы, приходящие слева, тот, что справа, поглощает те, которые приходящие справа, и в результате они сталкиваются. Эти теории так и не сработали, и Альберт Эйнштейн в конечном итоге дал более глубокое объяснение гравитации как искажения пространства и времени. Но теория Эйнштейна, названная общей теорией относительности, создала свои собственные головоломки , и он сам осознал, что она не может быть последним словом. Поэтому идея о том, что гравитация — это коллективный эффект — не фундаментальная сила, а результат поведения роя в более тонком масштабе — по-прежнему привлекает физиков.
Ранее в этом году группа физиков-теоретиков выдвинула (открывает новую вкладку) что можно считать современной версией механических моделей 17-го века. «Там есть какой-то газ или какая-то тепловая система, которую мы не можем видеть напрямую», — сказал Дэниел Карни (открывает новую вкладку) из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, которая руководила этой работой. «Но она каким-то образом случайным образом взаимодействует с массами, так что в среднем вы видите все обычные гравитационные вещи, о которых вы знаете: Земля вращается вокруг Солнца и так далее».
Этот проект — один из многих способов, с помощью которых физики пытались понять гравитацию и, возможно, сам изгибающийся пространственно-временной континуум как возникающий из более глубокой, более микроскопической физики. Линия мысли Карни, известная как энтропийная гравитация, связывает эту более глубокую физику по сути с физикой тепла. Она утверждает, что гравитация возникает из того же случайного перемешивания и смешивания частиц — и сопутствующего роста энтропии, приблизительно определяемой как беспорядок, — который управляет паровыми котлами, автомобильными двигателями и холодильниками.
Дэниел Карни, физик-теоретик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, возглавил последнюю попытку объяснить гравитацию как энтропийную силу. Регенты Калифорнийского университета, Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли
Попытки моделирования гравитации как следствия роста энтропии время от времени возникали в течение нескольких десятилетий. Энтропийная гравитация — это точка зрения меньшинства. Но она не умрет, и даже критики не хотят полностью ее отвергать. Новая модель имеет то достоинство, что ее можно экспериментально проверить — редкость, когда дело касается теорий о таинственных основах всеобщего притяжения.
Возникновение силы
Теория гравитации Эйнштейна замечательна не только тем, что она работает (и делает это с возвышенной математической красотой), но и тем, что она выдает свою собственную неполноту. Общая теория относительности предсказывает, что звезды могут коллапсировать, образуя черные дыры, и что в центрах этих объектов гравитация становится бесконечно сильной. Там пространственно-временной континуум разрывается, как переполненный пакет с продуктами, и теория не может сказать, что будет дальше. Более того, общая теория относительности имеет странные параллели с физикой тепла, хотя ни одна тепловая концепция не вошла в ее разработку. Она предсказывает, что черные дыры только растут, никогда не сжимаются и только поглощают, никогда не извергают. Такая необратимость характерна для потока тепла. Когда тепло течет, энергия принимает более хаотичную или неупорядоченную форму; как только это происходит, она вряд ли переупорядочится спонтанно. Энтропия количественно определяет этот рост беспорядка. Действительно, когда физики использовали квантовую механику для изучения того, что происходит в искаженном пространстве-времени вокруг черной дыры, они обнаружили, что черные дыры выделяют энергию, как и любое горячее тело. Поскольку тепло — это случайное движение частиц, эти тепловые эффекты наводят многих исследователей на мысль, что черные дыры и пространственно-временной континуум в целом на самом деле состоят из каких-то частиц или других микроскопических компонентов.
Энтропийная гравитация, введенная в известную статью 1995 года (открывает новую вкладку) физик-теоретик Тед Якобсон (открывает новую вкладку) из Мэрилендского университета придерживается родственного, но отличного подхода. Ранее физики начинали с теории Эйнштейна и выводили из нее теплоподобные следствия. Но Якобсон пошел другим путем. Он исходил из предположения, что пространство-время имеет тепловые свойства, и использовал их для вывода уравнений общей теории относительности. Его работа подтвердила, что в параллелях между гравитацией и теплом есть что-то существенное. «Он перевернул термодинамику черных дыр с ног на голову», — сказал Карни. «Я был озадачен этим результатом всю свою взрослую жизнь».
Кажущаяся привлекательность
Как гравитационное притяжение может возникнуть из более микроскопических компонентов Вдохновленные подходом Якобсона, Карни и его соавторы — Мантос Каридас (открывает новую вкладку), Тило Шарнхорст, Рошни Сингх и Джейкоб Тейлор (открывает новую вкладку) — выдвинули две модели.
В первом случае пространство заполнено кристаллической сеткой квантовых частиц, или кубитов. У каждого есть ориентация, как у стрелки компаса. Эти кубиты будут выравниваться с близлежащим объектом, обладающим массой, и оказывать на этот объект силу. «Если вы поместите массу где-то в решетке, это заставит все близлежащие кубиты поляризоваться — они все попытаются пойти в одном направлении», — сказал Карни.
Карни и соавторы Рошни Сингх, Джейкоб Тейлор, Тило Шарнхорст и Мантос Каридас (по часовой стрелке, начиная с верхнего левого угла) недавно разработали конкретные модели, показывающие, как рост энтропии может привести к тому, что объекты будут притягиваться друг к другу. Тимоти Майкл Пинхассик; Т. Венцьяс/Университет Мэриленда; Тимоти Майкл Пинхассик; Сара Виттмер/Физика Калифорнийского университета в Беркли
Переориентируя соседние кубиты, массивный объект создает карман высокого порядка в сетке в противном случае хаотично ориентированных кубитов. Если вы поместите две массы в решетку, вы создадите два таких кармана 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, чистый эффект будет заключаться в том, чтобы сжать массы ближе друг к другу, чтобы упорядоченность удерживалась в меньшей области. Будет казаться, что две массы притягиваются друг к другу гравитационно, когда 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 определенного местоположения и могут фактически находиться далеко. Карни сказал, что эта функция предназначена для того, чтобы уловить нелокальность ньютоновской гравитации: каждый объект во вселенной в некоторой степени воздействует на любой другой объект. Каждый кубит в модели способен хранить некоторое количество энергии; количество зависит от расстояния между массами. Когда они находятся далеко друг от друга, энергоемкость кубита высока, поэтому общая энергия системы может поместиться всего в нескольких кубитах. Но если массы находятся ближе друг к другу, энергоемкость каждого кубита падает, поэтому общая энергия должна быть распределена по большему количеству кубитов. Последняя ситуация соответствует более высокой энтропии, поэтому естественная тенденция системы — сталкивать массы вместе, снова в соответствии с ньютоновской гравитацией.
Сильные и слабые стороны
Карни предупредил, что обе модели являются ad hoc. Независимых доказательств для этих кубитов нет, и ему и его коллегам пришлось точно настроить силу и направление силы, оказываемой ими. Можно спросить, является ли это каким-либо улучшением по сравнению с принятием гравитации как фундаментальной. «На самом деле, похоже, требуется странное инженерное взаимодействие, чтобы заставить это работать», — сказал Карни. И то, что работает, — это просто закон тяготения Ньютона, а не полный аппарат теории Эйнштейна, где гравитация эквивалентна кривизне пространства-времени. Для Карни эти модели — всего лишь доказательство принципа — демонстрация того, что по крайней мере поведение роя может объяснить гравитационное притяжение — а не реалистичная модель того, как работает вселенная. «Онтология всего этого туманна», — сказал он.
Марк Ван Раамсдонк (открывает новую вкладку), физик из Университета Британской Колумбии, сомневается, что модели действительно представляют собой доказательство принципа. Практикующий голографию, ведущий подход к возникающему пространству-времени, Ван Раамсдонк отмечает, что новые энтропийные модели не обладают ни одним из качеств, которые делают гравитацию особенной, например, тем фактом, что вы не чувствуете гравитационной силы, когда свободно падаете сквозь пространство-время. «Их конструкция на самом деле не имеет ничего общего с гравитацией», — сказал он.
Более того, модели останавливаются на одном аспекте гравитации, который, как думают физики, они уже понимают. Закон Ньютона естественным образом возникает из теории Эйнштейна, когда гравитация сравнительно слаба, как на Земле. Именно там, где гравитация становится сильной, как в черных дырах, она становится странной, и энтропийная модель ничего не может сказать об этом. «Настоящая проблема в гравитационной физике — понять ее режим сильной связи и сильного поля», — сказал Рами Брустейн (открывает новую вкладку), теоретик из Университета имени Бен-Гуриона, который сказал, что раньше он симпатизировал энтропийной гравитации, но теперь охладел к этой идее.
Сторонники энтропийной гравитации отвечают, что физики не должны быть так уверены в том, как гравитация ведет себя, когда она слаба. Если гравитация действительно является коллективным эффектом кубитов, закон силы Ньютона представляет статистическое среднее, и эффект от момента к моменту будет колебаться вокруг этого среднего. «Вам нужно перейти к очень слабым полям, потому что тогда эти флуктуации могут стать наблюдаемыми», — сказал Эрик Верлинде (открывает новую вкладку) из Амстердамского университета, который отстаивал энтропийную гравитацию в нашумевшей статье 2010 года (открывает новую вкладку) 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 действовать на массивное тело, чтобы вытащить его из затруднительного положения, похожего на положение кота Шредингера. Этот сценарий связан с очень волнующим вопросом о коллапсе волновой функции, который спрашивает, как получается, что измерение квантовой системы в суперпозиции приводит к тому, что ее множественные возможные состояния становятся одним определенным состоянием. Некоторые физики предположили, что этот коллапс вызван некоторой внутренней случайностью во вселенной. Эти предложения отличаются в деталях от предложений Карни, но имеют схожие проверяемые последствия. Они предсказывают, что изолированная квантовая система в конечном итоге коллапсирует сама по себе, даже если она никогда не измерялась или иным образом не подвергалась внешнему воздействию. «Одни и те же экспериментальные установки, в принципе, могут быть использованы для проверки обоих», — сказал Анджело Басси (открывает новую вкладку) из Триестского университета, который руководил работой по проведению таких экспериментов, уже исключив некоторые модели коллапса . Несмотря на все свои сомнения, Ван Раамсдонк соглашается, что подход энтропийной гравитации стоит попробовать. «Поскольку не установлено, что фактическая гравитация в нашей Вселенной возникает голографически, безусловно, ценно исследовать другие механизмы, посредством которых может возникнуть гравитация», — сказал он.
И если эта маловероятная теория сработает, физикам придется обновить знаменитый гравитационный плакат художника Джерри Муни, на котором написано: «Гравитация. Это не просто хорошая идея. Это закон». Возможно, гравитация на самом деле не закон, а просто статистическая тенденция.