Gravitația emergentă este o idee îndrăzneață.
Ea susține că forța gravitației este o simplă iluzie, mai asemănătoare cu frecarea sau căldura – o proprietate care reiese dintr-o interacțiune fizică mai profundă. Această idee de gravitație emergentă ar putea deține cheia pentru rescrierea uneia dintre forțele fundamentale ale naturii – și ar putea explica natura misterioasă a materiei întunecate.
Dar în anii de la propunerea sa inițială, nu a rezistat bine nici experimentelor, nici cercetărilor teoretice ulterioare. Gravitația emergentă poate să nu fie un răspuns corect. Dar este una inteligentă și merită luată în considerare, deoarece poate deține semințele unei mai mari înțelegeri.
Situație de urgență
Pentru a înțelege ce înseamnă gravitația emergentă, trebuie mai întâi să clarificăm din ce ar trebui să iasă gravitația și ce înseamnă chiar cuvântul „emergent”.
Apariția este un concept vechi care apare și reapare în multe contexte, de la fizică la filozofie la artă. În special în fizică, apariția se referă la un fapt clar, dar ușor inconfortabil: în ciuda înțelegerii noastre profunde a funcționării celei mai interioare ale naturii la scară subatomică, adesea nu putem folosi aceste cunoștințe pentru a descrie majoritatea sistemelor la care ne pasă de fapt.
O modalitate de a vedea natura este ca o vastă ierarhie. În „josul” ierarhiei se află câmpurile cuantice, pe care le folosim teoria câmpurilor cuantice pentru a le înțelege. Pe deasupra sunt toate nenumăratele interacțiuni subatomice și atomice, guvernate de asemenea de mecanica cuantică. Mai sus este chimia, unde cuantica începe să conteze mai puțin. Și pe deasupra, departe, departe de câmpurile cuantice, sunt toate ramurile minunate ale științei și diversele lor instrumente care descriu tot felul de fenomene: astrofizică, oceanografie, geologie, sociologie și așa mai departe.
Este adevărat din punct de vedere tehnic că „dedesubt” totul – să zicem circulația unui mare gir oceanic sau formarea unei stele nou-născute sau panica care se instalează atunci când dai peste un urs în pădure – este teoria câmpului cuantic. Dar mult noroc folosind teoria câmpului cuantic pentru a descrie acele sisteme. Asta pentru că aceste sisteme de ordin superior sunt emergente – au noi proprietăți, noi legi și noi comportamente care apar din nenumărate interacțiuni care operează la niveluri mai profunde.
De cele mai multe ori, nu putem spera niciodată să facem conexiuni între straturile inferioare și cele mai înalte, iar unii fizicieni și filosofi susțin că ar putea fi imposibil să facem acest lucru în mod constant. Dar, în unele cazuri, putem lega împreună principii de nivel inferior cu un comportament emergent de ordin superior. Cel mai bun exemplu în acest sens este relația dintre termodinamică și fizica statistică.
Termodinamica este studiul proprietăților cotidiene familiare ale sistemelor precum temperatura, presiunea, volumul, entropia și toți prietenii lor. Avem exemple de relații între aceste proprietăți, cum ar fi legea gazelor ideale. În mod uimitor, puteți deriva, testa și utiliza legea gazului ideal fără să aveți idee din ce este format un „gaz” (atomi și molecule) și ce fac acele componente ale gazului (sărțuind foarte mult). Deci nu avem nevoie de o conexiune între acele proprietăți și orice reguli subiacente.
Dar într-o ispravă uimitoare a fizicii secolului al XIX-lea, care nu are suficient timp de antenă, am făcut exact această conexiune. Printr-un set de tehnici cunoscute sub numele de mecanică statistică, putem lua comportamentul moleculelor individuale de gaz — energia lor cinetică și impulsul, de exemplu — și le putem folosi pentru a deduce proprietățile emergente ale temperaturii, presiunii și entropiei unui gaz care constă din o grămadă de molecule care lucrează împreună.
Aici, temperatura este emergentă. O moleculă individuală nu are o temperatură. Are doar impuls și energie cinetică. Dar proprietăți precum temperatura și relații precum legea gazelor ideale ies din toate aceste proprietăți fundamentale.
Din abis iese gravitația
Deci, ce legătură are gravitația cu toate astea?
Rădăcinile ideii că gravitația ar putea fi emergentă merg până în anii ’70, când fizicieni precum faimosul Stephen Hawking și ar trebui să fie mai faimosul Jacob Bekenstein au descoperit că găurile negre nu sunt în întregime, în totalitate, 100% negru. În schimb, eliberează o cantitate mică de radiații. Mai exact, această radiație este termică, ceea ce înseamnă că radiația are aceleași proprietăți ca orice alt lucru fierbinte generic din Univers. Aceasta înseamnă că regulile termodinamicii și mecanicii statistice ar trebui să se aplice găurilor negre.
Dar găurile negre sunt obiecte de gravitație pură. Ele sunt o predicție a teoriei generale a relativității a lui Einstein. Sunt locuri în care gravitația devine atât de extremă încât nimic nu poate scăpa. Sunt înțepături în spațiul însuși. Cu siguranță nu sunt ca orice alt lucru generic fierbinte din Univers.
Deci, poate că natura ne dă un indiciu. Poate că există o legătură mai profundă între legile termodinamicii și legile gravitației. Și s-ar putea ca, dacă termodinamica este într-adevăr o proprietate emergentă a unui set mai profund de fizică, atunci poate (doar poate, dar hai să mergem cu asta și să vedem unde se duce) faptul că găurile negre arată un fel de obiecte calde strălucitoare este grăitor. ne spune că gravitația este, de asemenea, o proprietate emergentă a unor fizici mai profunde.
Natura acelei „fizici profunde” a fost o presupunere de oricine. În 2009, fizicianul olandez Erik Verlinde a ghicit că fizica profundă ar putea fi niște informații cuantice codificate pe suprafața Universului. Aceasta nu este doar o idee aleatorie scoasă din Pălăria Fizicii Magice; se bazează pe observația foarte reală că suprafața unei găuri negre este mult mai importantă decât volumul acesteia.
Mai exact, atunci când informațiile – pe care, în scopurile noastre, le putem considera ca fiind descrierea totală a fiecărei proprietăți a materiei și radiațiilor – intră într-o gaură neagră (sub formă de materie sau radiații sau cel mai rău inamic al tău), suprafața unui gaura neagră crește proporțional. Pentru a fi clar, la fel și volumul, dar nu proporțional cu cantitatea de informații.
Această relație simplă a deblocat o întreagă linie de cercetare centrată pe holografie, ideea că fizica Universului nostru, în special cea a gravitației, ar putea avea loc de fapt pe suprafața cosmosului. Într-adevăr, suprafața ar putea fi tot ceea ce există, cele patru dimensiuni ale spațiu-timpului manifestându-se din diverse interacțiuni cuantice care au loc la acea graniță.
Verlinde a combinat această abordare holografică cu conceptul de termodinamică a găurii negre pentru a rescrie legile lui Newton și, în cele din urmă, relativitatea generală, în termeni de relații statistice care dau naștere gravitației, făcând-o o forță emergentă.
Acum, după cum poate atesta căsuța mea de e-mail, orice manivela aleatoare poate reasambla legile gravitației prin înlocuirea variabilelor în ecuații și, după această metrică, munca lui Verlinde nu a fost chiar atât de impresionantă. Dar este un joc cu minge complet diferit pentru a-ți lua în serios propriile idei și a dezvolta o teorie completă a fizicii, una care se potrivește cu observațiile cunoscute și este capabilă să spună ceva nou și surprinzător despre Univers.
În formularea lui Verlinde, spațiu-timpul însuși are proprietăți termodinamice precum entropia. În mod normal, entropia spațiu-timpului este complet acoperită de tot ce ocupă spațiu-timp. Numai când te îndepărtezi de tot ceea ce densitățile materiei scad suficient, natura entropică a spațiu-timpului și, prin urmare, a gravitației, începe să devină evidentă. Și în acele condiții, Verlinde a descoperit o ușoară abatere de la predicțiile gravitației normale. Mai exact, atât Newton, cât și Einstein prezic că puterea gravitației a scăzut invers proporțional cu distanța la pătrat. Gravitația emergentă a lui Verlinde sugerează că, în medii cu densitate extrem de scăzută, gravitația este doar invers proporțională cu distanța.
E interesant. Asta e ceva ce putem testa.
La câțiva ani după formularea sa inițială, Verlinde a descoperit că, dacă Universul este plin de energie întunecată (ceea ce toate observațiile sugerează că este), atunci aceasta lasă în urmă un „reziduu” în structura spațiu-timpului care adaugă o componentă atractivă suplimentară gravitației. Cel mai interesant este că în medii cu densitate mare, cum ar fi Sistemul Solar, acest reziduu dispare, ceea ce înseamnă că nu vom putea să-l detectăm pe baza observațiilor locale. Ca și înainte, numai în mediile cu densitate scăzută, cum ar fi spațiul interstelar, această componentă atractivă suplimentară devine evidentă. Deoarece o mulțime de observații sugerează că există unele interacțiuni gravitaționale suplimentare care au loc la scară galactică și mai sus, aceasta a început să pară o soluție atrăgătoare pentru problema materiei întunecate.
Dacă este interesant, probabil că este greșit
Ideile pot fi frumoase, elegante, captivante… și complet greșite. Natura este arbitrul suprem al ideilor în fizică, așa că depinde întotdeauna de dovezi să determine ce teorii îmbrățișăm și pe care le renunțăm.
Paradigma noastră acceptată în prezent pentru explicarea comportamentului pe scară largă al Universului are rădăcinile în relativitatea generală, care a fost pusă în practică cu peste un secol de teste experimentale de succes. Cu toate acestea, misterele abundă în Univers, cum ar fi nevoia aparentă de materie invizibilă pentru noi, cunoscută sub numele de materie întunecată, pentru a explica comportamentul stelelor și galaxiilor.
Poate gravitația emergentă să facă ceva mai bine?
Deși întrebarea este simplă, a răspunde nu este ușor. Un lucru este să concepi o nouă concepție despre gravitație. Este cu totul altceva să calculezi predicții precise pentru situații complexe, cum ar fi mișcările stelelor într-o galaxie. Deci, acceptarea puterii predictive a gravitației emergente înseamnă (a) a avea încredere în calculele teoretice care duc la o predicție și (b) a concepe teste observaționale puternice ale acestor calcule.
Rezultatele acestor eforturi au fost categoric amestecate. Primele exemple de materie întunecată au fost descrise în ratele de rotație ale stelelor în interiorul galaxiilor și mișcarea galaxiilor în grupurile de galaxii – stelele orbitează mult prea repede, iar galaxiile au viteze mult prea mari, având în vedere cantitatea de materie vizibilă disponibilă pentru păstrare. totul împreună. Testele inițiale ale gravitației emergente au descoperit că ar putea explica curbele de rotație a galaxiilor, dar nu a făcut nimic mai bine decât abordarea obișnuită a materiei întunecate. În alte teste, pur și simplu nu a funcționat. Alte teste în mediile clusterelor de galaxii au descoperit că gravitația emergentă a greșit densitatea materiei cu până la un factor de șase.
În apărarea gravitației emergente, totuși, acele teste au folosit predicții din teorie care sunt, în cel mai bun caz, aproximări ale ceea ce face gravitația „de fapt”. S-ar putea ca o descriere matematică mai precisă și mai robustă să dea predicții mai bune care ar ajunge să fie de acord cu aceste observații.
În cele din urmă, acestea sunt teste destul de limitate. Există mult mai multe în Univers pe care materia întunecată le poate explica, cum ar fi creșterea structurilor mari în timpul cosmic sau fluctuațiile în aspectul fundalului cosmic cu microunde. Orice teorie care speră să înlocuiască materia întunecată trebuie să parcurgă întreaga gamă, nu doar să se limiteze la galaxii și clustere. Până acum, nimeni nu a încercat să abordeze aceste întrebări mai mari prin prisma gravitației emergente.
Pe frontul teoretic, gravitația emergentă s-a confruntat și cu probleme. Călătoria de la relativitatea generală vanilie la gravitația emergentă necesită mai mult decât câteva presupuneri, salturi de credință, ocoliri și aproximări. Nu știm dacă abordarea holografică a fizicii este valabilă. Nu știm dacă relația dintre termodinamică și găurile negre nu este altceva decât o coincidență. Nu cunoaștem fizica cuantică de bază care ar putea da naștere gravitației în această imagine.
În acest sens, alți teoreticieni s-au prezentat, susținând că ipotezele că gravitația emergentă de bază (și anume că suprafețele se supun termodinamicii) sunt defecte și nu sunt compatibile cu relativitatea generală. Și din moment ce scopul gravitației emergente este de a face o teorie care recapitulează relativitatea, cu excepția regiunilor în care nu avem teste. Încă, acest lucru ar putea opri întregul program emergent.
Este gravitația emergentă o idee moartă? În acest moment, se pare că este posibil. Dar este gravitația emergentă o idee proastă? Absolut nu.
Idei precum gravitația emergentă sunt la – sau chiar dincolo de – vârful fizicii. Știm că ne lipsește o înțelegere completă a gravitației și știm că suntem înconjurați de indicii tentante despre ceea ce poate urma. Și toate lucrurile fiind egale, gravitația emergentă este un concept demn care combină mai multe fire inovatoare diferite într-o viziune nouă a Universului nostru. Unele dintre criticile cu care se confruntă sunt valabile, iar lipsa capacității sale de a se confrunta cu observațiile este îngrijorătoare. Dar aceste teste și critici sunt lucruri bune. Experimentele eșuează doar atunci când nu învățăm nimic nou și când nu ne provocăm.
Asemenea exploratorilor care se confruntă cu un tărâm necunoscut, nu știm ce direcții duc la păduri luxuriante și care duc la deșerturi sterpe. Putem descoperi o nouă fizică doar făcând plonje îndrăznețe în întuneric. Chiar dacă gravitația emergentă se dovedește a fi o alee oarbă, ea poate conține semințele care mai târziu vor germina într-o teorie mai fructuoasă.
Singura modalitate de a avansa în progresul nostru pentru a înțelege Universul este să creăm noi înșine aceste idei. Cu alte cuvinte, nu putem sta doar să așteptăm să apară o nouă fizică.
Comentarii recente