Entropiapainovoima

Entrooppinen painovoima (tunnetaan myös nimellä ilmentyvä painovoima , eli painovoiman määritteleminen nousevaksi ilmiöksi) on modernin fysiikan teoria, joka kuvaa painovoimaa entrooppisena voimana. Tämä gravitaatiovoiman esitys riistää tämän voiman perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen aseman. Pohjimmiltaan tämä teoria perustuu merkkijonoteoriaan , mustien aukkojen teoriaan ja kvanttitietoteoriaan , se noudattaa myös termodynamiikan toista lakia . Teoria kuvaa painovoimaa esiin nousevana ilmiönä, joka johtuu aika-avaruusinformaation kvanttisekoittumisesta , joka liittyy järjestelmän entropian muutoksiin .

Alkuperä

Painovoiman selitys yhdistettiin termodynamiikkaan viime vuosisadalla. Uskotaan, että Bekenstein ja Hawking olivat ensimmäiset tutkijat, jotka huomauttivat painovoiman ja termodynamiikan välisestä syvästä yhteydestä mustia aukkoja koskevissa tutkimuksissaan. Sitten Jacobson, Padmanabhan ja muut tutkivat painovoiman ja entropian välistä suhdetta. Merkittävin työ oli kuitenkin Eric Verlinden vuonna 2009 ehdottama malli.

Verlinden teoria

Verlinden malli, joka yhdistää termodynaamisen painovoiman ja holografisen periaatteen ja kuvaa painovoimaa entrooppisena voimana, toteaa, että painovoima on seurausta informaation muutoksesta, joka liittyy aineellisten kappaleiden sijaintiin avaruudessa [1] (venäjäksi) [2] .

Teoriassaan Verlinde väittää, että painovoima on holografisen periaatteen mukaisen materiaalisten kappaleiden ympärillä olevan avaruuden rakenteen sisältämien informaatiobittien muutoksen ilmentymä. Kappaleiden välillä ja ympäröivässä avaruudessa näihin kappaleisiin liittyvä entropiatiheys muuttuu, kasvaa. Näin ollen kappaleiden vetovoima, johon liittyy entropian kasvu, on kappaleiden luonnollista käyttäytymistä termodynamiikan toisen lain mukaan, tai fysikaalisille järjestelmille tämä on siirtymistä todennäköisempään tilaan. Samassa työssä tiedemies johti Newtonin toisen lain ja universaalin gravitaatiolain yhtälön perustuen vain näihin näkökohtiin.

Hänen teoriansa päälähtökohtana on, että tieto osassa tilaa on holografisen periaatteen alaista. Tämän mukaan tiedot voidaan tallentaa holografiselle näytölle missä tahansa kehon ympärillä. Holografista periaatetta tukeva näyttö on peräisin mustan aukon fysiikasta ja AdS/CFT-kirjeenvaihdosta . Joten mustan aukon fysiikassa on ajatus, että tietoa voidaan tallentaa mustan aukon tapahtumahorisonttiin. Oletetaan, että informaatio on koodattu avaruuden rakenteeseen ja itse avaruus on myös esiintuleva. Siksi tällaisessa kontekstissa mekaniikan lakien tulee ilmaantua itse avaruuden mukana, mikä tarkoittaa, että ne voidaan johtaa luonnollisella tavalla näiden lähtökohtien perusteella, minkä Verlinde teki ensimmäisessä työssään.

Hän osoitti, että Newtonin lait syntyvät luonnollisesti ja käytännössä väistämättä, alkaen vain periaatteista, jotka käyttävät vain avaruudesta riippumattomia käsitteitä, kuten energia, entropia ja lämpötila. Samaan aikaan painovoimaa selitetään entrooppisena voimana, jonka aiheuttaa aineellisten kappaleiden sijaintiin avaruudessa liittyvän tiedon määrän muutos.

Entrooppinen voima

Verlinde piti hiukkasta, jonka massa on m, kiinnitettynä kuvitteelliseen "merkkijonoon" ei-relativistisessa tilassa putoavan pienelle holografiselle näytölle (samanlainen kuin Bekensteinin ajatuskokeessa kuuluisassa mustien aukkojen entropiaa käsittelevässä teoksessa, jossa hän laski hiukkasen alas. mustaan aukkoon ja hiukkanen putosi aivan horisontin eteen Tämä Becksteinin mukaan lisäsi mustan aukon massaa ja horisontin pinta-alaa pienellä määrällä, jonka hän määritti yhdellä informaatiolla) [ 1] .

Lisäksi hän olettaa, että hiukkanen putoaa ja sulautuu ruudulla olevien mikroskooppisten vapausasteiden kanssa, mutta ennen kuin se tapahtuu, se vaikuttaa jo näytölle tallennetun tiedon määrään. Bekensteinin argumentin mukaan entropian muutos, joka liittyy informaatioon rajalla (eli ruudusta poispäin) on: $\Delta x$

\Delta S=2\pi k_{B}{\frac {mc}{\hbar }}\Delta x

Voiman syntyminen selittyy analogialla osmoosin kanssa, kun hiukkasella on entrooppinen syy olla kalvon toisella puolella ja kalvolla (puoliläpäisevällä kalvolla) on lämpötila, silloin tehollinen voima on yhtä suuri kuin

\Delta F\Delta x=T\Delta S

Mutta nollasta poikkeavan entropiavoiman saamiseksi lämpötilan on oltava erilainen kuin nolla. Tiedämme Newtonin laista, että voima johtaa nollasta poikkeavaan hiukkaskiihtyvyyteen. Toisaalta tiedetään, että kiihtyvyys ja lämpötila liittyvät läheisesti toisiinsa Unruh-ilmiön kautta , jonka mukaan hiukkasella kiihdytetyssä vertailukehyksessä on lämpötila:

k_{B}T={\frac {1}{2\pi }}{\frac {\hbar a}{c}}\,,

missä on hiukkasen kiihtyvyys. Tästä, käyttämällä yllä saatuja lausekkeita, saadaan Newtonin toisen lain yhtälö. $a$

F=ma

Esimerkkejä entrooppisista voimista

Esimerkkejä entropiavoimista ovat makroskooppisissa järjestelmissä esiintyvä osmoosiilmiö ja polymeerimolekyylin elastisuus. Kolloideissa pienemmistä hiukkasista koostuvaan lämpöväliaineeseen suspendoituneet suuret kolloidiset molekyylit kokevat entropiavoimia poissuljetun tilavuusvaikutuksen vuoksi. Näissä tapauksissa järjestelmällä on tilastollinen taipumus palata maksimientropian tilaan, mikä muuttuu makroskooppiseksi voimaksi.

Newtonin yleisen painovoiman laki

Tässä tutkija analysoi suljettua pintaa, palloa, jota pidetään tiedon tallennusvälineenä [1] . Olettaen, että holografista periaatetta noudatetaan, suurin tallennustila tai bittien kokonaismäärä on verrannollinen pinta-alaan . Se ottaa rajan tiedon tallennusvälineenä. Olettaen, että holografista periaatetta noudatetaan, suurimman tallennustilan tai informaatiobittien kokonaismäärän on oltava verrannollinen pinta-alaan . Erotusavaruusteoriassa alue voidaan määritellä siten, että jokainen perusbitti määritelmän mukaan vie yhden alkeissolun. Näin ollen bittien määrä on verrannollinen pinta-alaan . Sitten $A$ $A$ $N$ $A$

N={\frac {Ac^{3}}{G\hbar }}

Tässä on otettava huomioon - otettuna uutena vakioarvona, joka määritetään edelleen. Oletetaan, että järjestelmän koko energia, , on jakautunut tasaisesti bittien lukumäärälle . Sitten lämpötila määräytyy kineettisen energian vapausasteiden välisen jakautumislain mukaan. $G$ $E$ $N$

E={\frac {1}{2}}Nk_{B}T

Lisäksi tiedemies turvautuu kuuluisaan massan ja energian vastaavuuden muotoiluun:

\ E=Mc^{2}

Missä on massa, jota ympäröi pallomainen holografinen näyttö (katso kuva). $M$

Seuraavaksi kahta energialauseketta verrataan ja absoluuttinen lämpötila määritetään bittilukulausekkeesta (annettu yllä). Pallon pinta-ala korvataan tuloksena olevalla lausekkeella . Tulos on tämä: $A=4\pi R^{2}$

{\displaystyle F=G{\frac {Mm}{R^{2))))

Jatkoa Verlinden teorialle

Heinäkuussa 2011 Verlinde esitteli ideoidensa jatkokehityksen artikkelissa Strings 2011 -konferenssissa, mukaan lukien selityksen pimeän aineen alkuperästä [3] , ja vuonna 2016 julkaistiin artikkeli Emergent Gravity and the Dark Universe [4] . .

Hänen teoriansa pääasiallisena seurauksena on selittää näkyvän aineen pyörimiskäyrät galakseissa ja miksi ne eroavat odotetusta profiilista, kun sovelletaan olemassa olevia hyväksyttyjä painovoimateorioita (Newtonin ja yleisen suhteellisuusteoria). Tämä selitys on tehty viittaamatta pimeän aineen olemassaoloon galaksien keskuksissa. Verlinde kirjoittaa: "Havaitut ilmiöt, jotka tällä hetkellä luetaan pimeään aineeseen, ovat seurausta painovoiman syntyvästä luonteesta ja ne johtuvat elastisesta vasteesta, joka johtuu tilavuuksien lain vaikutuksesta universumimme entropian sotkeutumiseen" [4] . Muualla: "Uskomme, että tämä lähestymistapa ja saadut tulokset kertovat meille, että pimeään aineeseen liittyvät ilmiöt ovat väistämätön ja looginen seuraus itse aika-avaruuden nousevasta luonteesta" [4] .

Vakiintuneista painovoimateorioista hän sanoo, että: "Pelkästi havaintojen perusteella on tarkoituksenmukaisempaa sanoa, että nämä tutut painovoimateoriat voidaan säilyttää vain olettamalla pimeän aineen läsnäolo" [4] .

Verlinden artikkelit herättivät myös mediahuomiota ja antoivat sysäyksen jatkotutkimukselle fysiikan ja kosmologian läheisillä aloilla.

Katso myös

Kirjallisuus

Suosittuja tieteellisiä lähteitä

Modifioitu painovoimateoria selittää universumin rakenteen omalla tavallaan ( https://habr.com/en/post/399121/ )
Miksi etsimme pimeää ainetta ja voimmeko löytää sen? ( https://www.bbc.com/russian/features-38499673 )
Eric Verlinde: painovoima on illuusio, kosminen temppu ( https://alter-science.info/p/58.html )
Pimealle aineelle ei ole sijaa uudessa painovoimateoriassa ( https://hightech.fm/2016/11/09/theory-gravity )

Videomateriaalia aiheesta

Eric Verlinde, Public Lectures: A New Look at Gravitation and the Dark Side of Space, Primera Institute for Theoretical Physics [ [1] ]
Nouseva painovoima ja pimeä universumi, luento prof. Erika Verlinde Israel Physical Societyn 63. vuosikokouksessa Technion-Israel Institute of Technologyssa, 17. joulukuuta 2017 [ [2] ]

Linkit

↑ 1 2 3 4 E.P. Verlinde (2011). "Painovoiman alkuperästä ja Newtonin laeista". jhep . 2011 (4) : 29.arXiv : 1001.0785 . Bibcode : 2011JHEP...04..029V . DOI : 10.1007/JHEP04(2011)029 .
↑ http://timeorigin21.narod.ru/rus_translation/Gravity_and_entropy.pdf
↑ E. Verlinde, Universumimme piilotettu vaihetila , Strings 2011, Uppsala, 1. heinäkuuta 2011.
↑ 1 2 3 4 Erik Verlinde, Emergent Gravity and the Dark Universe, 8. marraskuuta 2016, https://arxiv.org/pdf/1611.02269.pdf