Θεωρίες φυσικής

Η δύναμη της εντροπίας: μια νέα κατεύθυνση για τη βαρύτητα

Τι ακριβώς είναι η βαρύτητα; Ο καθένας μας την βιώνει κάθε στιγμή, αλλά το γιατί ο κόσμος μας έχει βαρύτητα αποδεικνύεται για όλους δύσκολο να το εξηγήσουν.

Share

Τι ακριβώς είναι η βαρύτητα; Ο καθένας μας την βιώνει κάθε στιγμή, αλλά το γιατί ο κόσμος μας έχει βαρύτητα αποδεικνύεται για όλους δύσκολο να το εξηγήσουν.

HologramIllustration Αν και η βαρύτητα έχει με επιτυχία περιγραφεί με τους νόμους που επινόησαν αρχικά ο Ισαάκ Νεύτων και αργότερα ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, εμείς εξακολουθούμε να μην γνωρίζουμε πώς συνδυάζονται οι θεμελιώδεις ιδιότητες του σύμπαντος για να δημιουργήσουν το φαινόμενο της βαρυτικής έλξης.

Erik-Verlinde Πρόσφατα ένας θεωρητικός φυσικός πρότεινε ένα ριζικά νέο τρόπο για να δούμε τη βαρύτητα. Ο Erik Verlinde του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ, ένας διεθνώς γνωστός θεωρητικός των χορδών, ισχυρίζεται ότι η βαρυτική έλξη θα μπορούσε να είναι το αποτέλεσμα της ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ δύο υλικών σωμάτων στον χώρο. Αν όντως αυτό αληθεύει, θα μπορούσε να μας προσφέρει τη θεμελιώδη εξήγηση που οι φυσικοί αναζητούν εδώ και δεκαετίες.

Από την δημοσίευση της ιδέας του πολλοί δε φυσικοί την έχουν χαρακτηρίσει ως μία πολλά υποσχόμενη θεωρία. Ο βραβευμένος με Νόμπελ θεωρητικός φυσικός Gerard ‘t Hooft του Πανεπιστημίου της Ουτρέχτης τονίζει την ανάγκη ανάπτυξης της ιδέας αυτής, αλλά είναι εντυπωσιασμένος από την προσέγγιση του Verlinde. Ο Gerard ‘t Hooft πιστεύει πως σε αντίθεση με πολλούς θεωρητικούς των χορδών ο Erik Verlinde χρησιμοποιεί πραγματικές έννοιες της φυσικής, όπως είναι η μάζα και η δύναμη, χωρίς φανταχτερά και αφηρημένα μαθηματικά μόνο. Κι αυτό είναι ενθαρρυντικά για έναν φυσικό.

Ο Νιούτον πρώτος έδειξε πώς λειτουργεί η βαρύτητα σε μεγάλες κλίμακες, αντιμετωπίζοντας την ως μια δύναμη μεταξύ των αντικειμένων. Ο Αϊνστάιν  εξευγένισε τις ιδέες του Νεύτωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας. Έδειξε ότι η βαρύτητα καλύτερα περιγράφεται από τον τρόπο που ένα αντικείμενο στρεβλώνει τον ιστό του σύμπαντος – τον χωροχρόνο. Ελκόμαστε όλοι προς τη Γη, επειδή η μάζα του πλανήτη μας καμπυλώνει τον περιβάλλοντα χωροχρόνο.

Ωστόσο, αυτή η εντυπωσιακή ιδέα δεν ήταν το τέλος της ιστορίας. Αν και ο Νεύτωνας με τον Αϊνστάιν πρόβλεψαν βαθιές ιδέες, οι νόμοι τους είναι μαθηματικές μόνο περιγραφές. "Αυτοί εξήγησαν πώς λειτουργεί η βαρύτητα, αλλά όχι από πού προέρχεται”, λέει ο Verlinde. Η θεωρητική φυσική είχε μια δυσκολία να συνδέσει τη βαρύτητα με τις άλλες γνωστές θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν. Το καθιερωμένο μοντέλο, το οποίο εδώ και καιρό είναι το καλύτερο πλαίσιο για την περιγραφή του υποατομικού κόσμου, περιλαμβάνει τον ηλεκτρομαγνητισμό, με την ισχυρή και ασθενή πυρηνική δύναμη – αλλά όχι τη βαρύτητα.

Πολλοί φυσικοί αμφιβάλουν ότι αυτό θα ισχύει για πάντα. Η βαρύτητα μπορεί να αποδειχθεί ότι μεταδίδεται μέσω της δράσης των υποθετικών έως τώρα βαρυτονίων ή γκραβιτονίων, αλλά μέχρι στιγμής δεν υπάρχει καμία απόδειξη για την ύπαρξή τους. αδεξιότητα Αυτή η αστοχία για την εξήγηση της βαρύτητας υπήρξε ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους έχουν προταθεί τις τελευταίες δεκαετίες διάφορες θεωρίες, όπως των χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχου.

Το έργο του Verlinde μας προσφέρει έναν εναλλακτικό τρόπο θεώρησης του προβλήματος. "Είμαι πεπεισμένος τώρα, ότι η βαρύτητα είναι ένα φαινόμενο που προκύπτει από τις θεμελιώδεις ιδιότητες του χώρου και του χρόνου”, υποστηρίζει.

Για να καταλάβετε τι προτείνει ο Verlinde, σκεφτείτε την έννοια της ρευστότητας στο νερό. Μεμονωμένα μόρια δεν έχουν ρευστότητα, αλλά συλλογικά έχουν. Ομοίως, η δύναμη της βαρύτητας δεν είναι κάτι ριζωμένο μέσα στην ουσία. Πρόκειται για ένα επιπλέον φυσικό φαινόμενο, που προκύπτει από την αλληλεπίδραση της μάζας, του χρόνου και του χώρου, λέει ο Verlinde. Η ιδέα του βάρους ως μια "εντροπική δύναμη” βασίζεται σε αυτές τις πρώτες αρχές της Θερμοδυναμικής – αλλά λειτουργεί μέσα σε μια εξωτική περιγραφή του χωροχρόνου που ονομάζεται Ολογραφία.

Όπως και η ρευστότητα του νερού, έτσι και η βαρύτητα δεν είναι ριζωμένη στην ίδια την ουσία. Πρόκειται για ένα επιπλέον φυσικό φαινόμενο

Η ολογραφία στη θεωρητική φυσική σε γενικές γραμμές ακολουθεί τις ίδιες αρχές με τα ολογράμματα σε ένα χαρτονόμισμα, που είναι τρισδιάστατες εικόνες ενσωματωμένες σε μια δισδιάστατη επιφάνεια. Η ιδέα αυτή στη φυσική αναπτύχθηκε κατά την δεκαετία του 1970 από τον Stephen Hawking και του Jacob Bekenstein για να περιγράψουν τις ιδιότητες των μαύρων οπών. Αυτή η εργασία τους οδήγησε στην αντίληψη ότι μια υποθετική σφαίρα θα μπορούσε να αποθηκεύει όλα τα απαραίτητα "bits" πληροφοριών σχετικά με τη μάζα. Στη δεκαετία του 1990, ο νομπελίστας ‘t Hooft με τον Leonard Susskind προτείνουν ότι το πλαίσιο αυτό μπορεί να ισχύει για όλο το σύμπαν. Η δε «ολογραφική αρχή» τους έχει αποδειχθεί χρήσιμη σε πολλές θεμελιώδεις θεωρίες.

Πίσω στον Verlinde τώρα. Αυτός χρησιμοποιεί την ολογραφική αρχή για να εξετάσει το τι συμβαίνει σε μια μικρή μάζα σε ορισμένη απόσταση από ένα σώμα με  μεγαλύτερη μάζα, έστω ένα αστέρι ή έναν πλανήτη. Η μετακίνηση της μικρής μάζας για λίγο, δείχνει ο Verlinde, σημαίνει μια αλλαγή του περιεχομένου των πληροφοριών, ή της εντροπίας, μιας υποθετικής ολογραφικής επιφάνειας μεταξύ των δύο μαζών. Αυτή δε η μεταβολή της πληροφορίας συνδέεται με τη μεταβολή της ενέργειας του συστήματος.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας στατιστικά στοιχεία για να εξετάσει όλες τις πιθανές κινήσεις της μικρής μάζας και τις αλλαγές της συνδεόμενης ενέργειας, ο Verlinde βρίσκει ότι οι κινήσεις προς την κατεύθυνση της μεγαλύτερης μάζας θερμοδυναμικά έχουν περισσότερες πιθανότητες από τις άλλες. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να θεωρηθεί ως μια καθαρή δύναμη που έλκει μαζί τα δύο μάζες. Οι φυσικοί την αποκαλούν ως εντροπική δύναμη, καθώς προέρχεται από τις πιο πιθανές αλλαγές στο περιεχόμενο των πληροφοριών.

Αυτό ακόμα δεν δείχνει άμεσα προς την βαρύτητα. Όμως, συνδέοντας τις βασικές εκφράσεις για το περιεχόμενο των πληροφοριών της ολογραφικής επιφάνειας, το ενεργειακό της περιεχόμενο και τη σχέση του Αϊνστάιν που συνδέει τη μάζα με την ενέργεια, μας οδηγεί απευθείας στο νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα. Μια σχετικιστική έκδοση βρίσκεται λίγα μόνο βήματα παραπέρα, αλλά και πάλι είναι εύκολο να υπολογιστούν άμεσα. Και φαίνεται να ισχύει τόσο για τα μήλα και τους πλανήτες.

«Η εύρεση των νόμων του Νεύτωνα ξανά από την αρχή θα μπορούσε να είναι μια τυχερή σύμπτωση», λέει ο Verlinde. "Μια σχετικιστική γενίκευση δείχνει ότι αυτό είναι πολύ πιο βαθύ από ότι  αποδεικνύονται μερικές εξισώσεις."

Η εργασία αυτή έχει επαινεθεί από μερικούς φυσικούς.Ο Robbert Dijkgraaf, για παράδειγμα, ένας διακεκριμένος μαθηματικός και φυσικός, επίσης, στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ, λέει ότι θαυμάζει την κομψότητα των εννοιών του Verlinde. "Είναι καταπληκτικό ότι κανείς δεν είχε καταλήξει σε αυτό το συμπέρασμα νωρίτερα, ενώ φαίνεται τόσο απλό αλλά και πειστικό”, λέει.

Υπάρχουν βέβαια και οι αντιρρήσεις. Μερικοί θεωρούν ότι ο Ολλανδός φυσικός χρησιμοποιεί ένα κυκλικό συλλογισμό στις εξισώσεις του, «ξεκινώντας» με τη βαρύτητα. Άλλοι πάλι έχουν εκφράσει ανησυχία σχετικά με την συμμετοχή σχεδόν ασήμαντων μαθηματικών, αφήνοντας χώρο στην θεωρία που βασίζεται σε πολύ γενικές έννοιες του χώρου, του χρόνου και των πληροφοριών.

Ο Stanley Deser του οποίου το έργο έχει επεκτείνει το πεδίο εφαρμογής της γενικής σχετικότητας, λέει ότι το έργο του Verlinde φαίνεται να είναι ένας πολλά υποσχόμενος δρόμος, αλλά προσθέτει ότι είναι "μια βόμβα που θα σαρώσει ένα πλήθος από εύπεπτα δόγματα, από αυτά του Νεύτωνα και του Hooke έως τον Αϊνστάιν."

Ο Verlinde τονίζει ότι η εργασία του είναι μόνο η πρώτη για το θέμα αυτό. "Δεν είναι καν μια θεωρία ακόμα, αλλά μια πρόταση για ένα νέο πρότυπο ή πλαίσιο," λέει. "Η σκληρή δουλειά έρχεται τώρα."

Πηγή: New Scientist

About the author

physics4u

Leave a Comment

Share