З усіх сил природи гравітація, очевидно, найуніверсальніша. Гравітація впливає на все, що має енергію, і реагує на нього, вона має безпосередній стосунок до структури простору-часу. Універсальна природа гравітації також розкривається в тому, що її рівняння подібні до рівнянь термодинаміки та гідродинаміки. До сьогодні пояснення цієї подібності не знайдено.
Гравітація панує на величезних відстанях, але її вплив непомітний на малих відстанях, її основні закони було перевірено лише на відстанях, більших за міліметр. Гравітацію також набагато складніше узгодити з квантовою механікою, ніж усі інші сили. Тому об’єднання на мікроскопічному рівні гравітації з іншими силами природи може виявитися неправильним підходом. Відомо, що це породжує безліч проблем, призводить до загадок і парадоксів. Теорія струн певною мірою розв’язує їх, але не всі. Усе ж ми маємо з’ясувати, чого нас навчає розв’язок теорії струн.
Багато фізиків вірять, що гравітацію та геометрію простору-часу можна пояснити. На це наштовхують розробки в галузі теорії струн. Особливо важливі аргументи випливають з AdS/CFT (anti-de-Sitter space/conformal field theory correspondence), або, загалом, із відповідності відкритих і замкнутих струн.
Для AdS/CFT-відповідності потрібно, щоб теорія поля була конформною. Це означає, що вона має бути інваріантною не лише щодо звичайних кінематичних перетворень (групи Лоренца для релятивістської теорії та групи Галілея для нерелятивістської), а й бути щонайменше масштабно інваріантною. Це означає, що властивості теорії залишаються незмінними при зміні всіх координат і часу в певну кількість разів (загалом кажучи, різну для координат і для часу). Таке може статися, якщо в теорії немає розмірних констант, з якими додаються змінні (наприклад, функція, що залежить від координат через \(r+a\), де \(a\)- константа, не є масштабно інваріантною).
Ця відповідність приводить до двоїстості між теоріями, які включають гравітацію, і тими, які її не включають. Отже, це доводить той факт, що гравітацію можна вивести з мікроскопічної теорії, у якій нічого не сказано про гравітацію.
Універсальність гравітації передбачає, що її виведення слід зрозуміти, виходячи із загальних принципів, які не залежать від деталей застосовуваної мікроскопічної теорії. Відомо багато праць, у яких показано, що центральним принципом, необхідним для пояснення гравітації, є інформація. Коли матерія переміщується, зміни ентропії створюють ентропійну силу, яка, як можна показати, набуває форми гравітації. Отже, згідно з цим підходом, причина гравітації полягає в принципі зростання ентропії, який випливає з мікроскопічної теорії.
Найважливішим припущенням є те, що інформація про частину простору підпорядковується голографічному принципу. Найкраще підтвердження голографічного принципу походить із фізики чорних дір і AdS/CFT-відповідності.
Голографічний принцип зіставляє одні фізичні закони, які діють у певному об’ємі, з іншими, чинними на поверхні, що його обмежує. Фізика на межі представлена квантовими частинками, які мають «кольорові» заряди та взаємодіють майже як кварки і глюони стандартної фізики частинок. Закони всередині — різновид теорії струн, що включає силу тяжіння, яку важко описати в термінах квантової механіки. Проте фізика на поверхні та фізика в об’ємі повністю еквівалентні, попри цілковито різні способи опису.
Ідея полягає в такому: квантова теорія гравітації всередині AdS-простору-часу повністю еквівалентна звичайній квантовій теорії частинок, що перебувають на межі. Еквівалентність означає, що ми можемо використати відносно зрозумілу квантову теорію частинок, щоб створити досі незрозумілу квантову теорію гравітації.
Ці теоретичні розробки показують, що принаймні частину мікроскопічних ступенів свободи можна представити голографічно, на межах простору-часу або на горизонтах.
Проте голографічний принцип може виявитися універсальнішим. Наприклад, у фізиці чорних дір існують ідеї про те, що інформація може зберігатися на розтягнутих горизонтах. Далі, розглядаючи спостерігачів, які рухаються з прискоренням, у принципі можна виявити голографічні екрани в будь-якому місці простору. У всіх цих випадках поява голографічного напрямку супроводжується червоним зміщенням і пов’язана з деякими досить грубими операціями. Якщо всі ці ідеї правильні, має існувати основа, що пояснює причини виникнення простору та гравітації.
Отже, голографічна відповідність — не просто нова можливість створення квантової теорії гравітації. Вона фундаментальним чином об’єднує теорію струн як найкраще вивчений підхід до квантової гравітації з теорією кварків і глюонів, яка є наріжним каменем фізики елементарних частинок. Ба більше, голографічна теорія, схоже, дає змогу скласти певне уявлення про точні рівняння теорії струн. Її придумали наприкінці 1960-х років для опису сильних взаємодій, але закинули, коли на сцені з’явилася теорія хромодинаміки. Відповідність між теорією струн і хромодинамікою означає, що попередні зусилля не пропали марно: обидва описи є різними сторонами однієї й тієї самої монети.
Варіюючи хромодинаміку на межі, тобто змінюючи деталі взаємодії граничних частинок, можна отримати цілий спектр теорій. У принципі внутрішній простір може містити лише сили тяжіння або гравітацію та інші сили, наприклад електромагнітну тощо. Нам ще належить розробити таку граничну теорію, з якої можна буде вивести опис внутрішнього простору, що містить чотири сили, які керують нашим Всесвітом.
Зазвичай голографічний принцип вивчають у контексті релятивістської фізики. Однак гравітаційна сила присутня в нашому повсякденному нерелятивістському світі. Причина гравітації, чим би вона не була, має пояснювати, чому ця сила постає такою, якою ми її бачимо, і чому вона підпорядковується законам гравітації Ньютона. До речі, пояснюючи простір, також доведеться заново вивести закони Ньютона, оскільки стандартні поняття координат, швидкості, прискорення, маси та сили далеко не очевидні. Отже, за такого підходу закони механіки мають виникнути разом із самим простором. Навіть базові поняття, такі як інерція, не є чимось даним і мають бути пояснені заново.
Необхідним принципом є скінченне число ступенів свободи даного просторового виміру, як того вимагає голографічний принцип. Енергія або, що еквівалентно, матерія розподілені рівномірно між цими ступенями свободи, і це приводить до виникнення температури. Добуток температури та приросту ентропії дорівнює переміщенню матерії, а також, як буде показано, дорівнює роботі гравітаційної сили. У цьому світлі закони гравітації Ньютона постають у напрочуд простому вигляді.
Нинішні ідеї узгоджуються з наявними знаннями про теорію струн, але якщо вони правильні, то мають мати важливі наслідки для самої теорії. Зокрема, опис гравітації як явища не може бути правильним унаслідок обміну замкнутими струнами. Імовірно, струни також можна буде вивести.
З усіх фізичних теорій лише дві – термодинаміка та теорія відносності — не залежать від конкретних деталей розглядуваної системи. Ці дві теорії ґрунтуються на певних універсальних принципах, яким має підпорядковуватися будь-яка фізична система. Усі інші теорії є теоріями конкретних систем.
Головоломка: чому природа обрала два панівні принципи, а не один? Чому вона не підстрахувалася на той випадок, якщо між ними виникнуть суперечності? А такі епізоди в історії науки траплялися і призводили до криз. Оборотність механіки явно суперечила існуванню стріли часу в термодинаміці. Однак, будучи породженням Природи, не слід вважати себе розумнішим за неї. Мабуть, Природа передбачила поки що невидимі нам механізми, які пов’язують ці принципи та дають змогу уникнути будь-яких суперечностей.
Ці механізми вперше виявили під час вивчення фізики чорних дір
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (1):
Пишу внеочередной пост по физической тематике. Возможно, в физике намечается некая революция, покруче Эйнштейновской ОТО. Речь идет о работе нидерландского физика, как сейчас модно говорить, «струнного теоретика». Эрика Верлинде (Eric Verlinde).
Прежде всего, хочу обрадовать всех присутствующих: мы все, дорогие товарищи, самые натуральные голограммы!
Ой, только не подумайте, что я тут спятил с горя, посмотрев сериал «Школа». Речь идет об исключительно глубокой идее
Строго говоря, к идее Верлинде приближались давно, но несколько дней назад, идея была сформулирована крайне просто: гравитация – не есть фундаментальное поле, а лишь «энтропийный эффект».
Это требует некоторых пояснений и, хотя я отствал от жизни в этой области лет на ...дцать, так как гравитацией не занимался со времен участия в семинаре Кириила Петровича Станюковича в конце 60-х, начале 70-х, мне кажется, что я могу более или менее внятно объяснить природу происходящего.
Прежде всего, для не-физиков нужно обозначить две идеи: что такое фундаментальное поле и что такое «энтропийна сила»..
Что касается первого, то фундаментальное поле – это поле связанное с той или иной элементарной частицей. До последнего времени как-то «по индукции» считалось, что гравитационное поле – это такое вот, обычное фундаментальное поле в ряду электромагнитного, электронного, слабого и т.д. Соответственно, десятилетия, со времен Эйнштейна предпринимались попытки построить Единую теорию поля, которая бы одним махом описывала бы Сущее и «частные поля» были бы лишь проявлениями этого единого поля в определенных условиях подобно тому, как электрическое и магнитные поля – проявления в разных условиях одного и того же единого электромагнитного поля.
Что касается «энтропийной силы», то она имеет другую, термидинамическую природу. А именно, из школы известно, что энергия системы может быть изменена как путем производства механичнской работы, так и путем передачи ей определенного количества тепла. Это обстоятельство описывается общеизвестным термодинамическим уравнением: dE=TdS-PdV. То есть, изменение внутренней энергии равно притоку тепловой энергии TdS минус работа, совершенная телом PdV.
Предположим теперь, что тело большое, так что при изменении его объема площадь поверхности A практически не меняется и с изменение объема связано с перемещением границы стенки dX, а внутренняя энергия системы при процессе остается неизменной. Тогда приведенное равенство может быть переписано в виде: 0=TdS-(PA)dX.
Но давление умноженное на площадь – есть сила F. Поэтому можно написать: TdS=FdX. Это значит, что если энтропия меняется в связи с каким-то перемещением, то возникает сила.
Простой пример появления такой силы – это поведение макромолекул. Если взять очень длинную молекулу, то она свернется в клубок, радиус которого пропорционалем корню и числа звеньев.
Если взять молекулу за конец и попытаться «размотать» этот клубок, то возникнет сила, которая будет действовать на вытянутый конец и стремиться вернуть молекулу в «клубочное» состояние. При этом, в отличие от сил, формирующих молекулу, эта сила не имеет ничего общего с межатомарным взаимодействием. Чисто вероятностная вещь: система в результате «проб и ошибок», то есть флюктуаций, связанных с температурой, стремиться перейти из менее вероятного состояния в более вероятное.
Чтобы сделать следующий шаг, нужно вспомнить некоторые элементы квантовой физики, согласно которой есть некая минимальная - Планковская, - длина меньше которой говорить о пространстве времени непонятно как. Есть две тяготеющие массы. Одну из них можно выбрать в качестве центра. Пусть другое из них находится на расстоянии R. Понятно, что число «ячеек» размером с планковскую длину пропорционально пдощади. Значит, для того, чтобы локализовать массу , нжно количество бит, пропорциональное площади сферы радиуса R, которая пропорциональна R^2. Число необходимых бит это энтропия, взятая с отрицательным знаком. Если масса переместиталась в новую позицию, скажем расстояние увеличилось, но число бит увеличилось пропорционально площади, а энтропия, соответственно, пропорционально площади уменьшилась.
То есть, если радиус увеличился и, стало быть, dX>0, то dS –автоматически меньше нуля и F – тоже меньше нуля, то есть направлена ПРОТИВ УВЕЛИЧЕНИЯ РАССТОЯНИЯ. Это и есть притяжение. Достаточно просто убедиться, что изменение энтропии пропорционально массе тела. Это следует из того, что и энтропия, и масса аддитивные функции: то есть и энтропия и масса суммы частей равна сумме энтропий и масс этих частей. И последнее, что нужно, чтобы замкнуть картину - это доказать Закон Ньютона: F=ma. ... И самое забавное, что это нетрудно сделать и даже в какой-то мере было сделано:Бекеншейном в 1973 году. Он показал, исходя из ОТО, что тело, движущееся с ускорением a испытывает температуру T равную в энергетических единицах a умноженному на (Пост. Планка/2*Pi*Скорость света)... После небольших вычислений можно показать, что и закон Ньютона F=ma выполнятся, и Закон тяготения.Причем в обоих случаях работает одна и та же масса!
Все крайне просто и жутко привлекательно, так как исчезает главная проблема – представление о гравитационном поле, как о реальном! – А если оно энтропийное, то и проблемы нет. Оно становится чем-то вроде флогистона – «материальным мифом», заменяемым статистикой, причем не слишком чувствительной к устройству реальныз физических полей!
Но как же насчет того, что новая теория должна быть достаточно безумной, коли все так просто? - Оооо! – Тут безумия предостаточно, дорогие товарищи! – Более аккуратное логическое рассмотрение проблемы показывает, что «все проходит» замечательно, если принять так называемый голографический принцип образования пространства, выдвинутый Нобелевским лауреатом 1999 года Г.Хоофтом в 1993 году, а раньше в менее конкретной форме Бомом.
Вот тут внимание! - Именно тут зарыто « истиное безумие».
Речь идет о том, что наше четырехмерное пространство-время на самом деле совершенно не четырехмерно!
ОНО ТРЕХМЕРНО, а одна из координат – кажущаяся, возникающая так примерно, как возникает третья координата в голографии!
Иными словами, наше пространство представляет собой ... ну скажет так, некую поверхность НА КОТОРОЙ мы, такие все В НЕКОТОРОМ РОДЕ ДВУМЕРНЫЕ, паразитируем.в форме струн... С поправкой на то, что струнная теория дает еще тучу, типа 7или 8 измерений, которые мы не видим ибо они свернуты колечками. и малькие-маленькие. А так – все хорошо..