¿La gravedad es simplemente un fenómeno de aumento de entropía? Una hipótesis de largo alcance vuelve a llamar la atención
(quantamagazine.org)- Un nuevo modelo del equipo de Daniel Carney trata la gravedad no como una fuerza fundamental, sino como un efecto colectivo que surge del aumento de entropía, y llama la atención porque abre una brecha verificable en el debate sobre la gravedad cuántica
- Este enfoque plantea que componentes microscópicos invisibles interactúan de forma aleatoria con la masa, y que su efecto promedio se manifiesta como fenómenos gravitacionales familiares, como la órbita de la Tierra
- Los dos modelos reproducen la forma de proporcionalidad inversa al cuadrado de la distancia de la gravedad newtoniana mediante una red de cúbits y cúbits sin posición definida, aunque el propio Carney aclara que están más cerca de una prueba de principio que de un modelo realista del universo
- Los escépticos critican que este modelo no puede abordar la curvatura del espacio-tiempo de la relatividad general, la particularidad de la caída libre ni regiones de gravedad intensa como los agujeros negros
- Experimentos que busquen fluctuaciones estadísticas en campos gravitatorios débiles o el colapso de la función de onda por la superposición cuántica de cuerpos con masa podrían convertirse en la prueba práctica de esta hipótesis
Un viejo intento de ver la gravedad como un efecto colectivo
- Incluso después de publicar en 1687 la ley de gravitación universal, Newton no quedó completamente satisfecho con cómo dos cuerpos se atraían entre sí a distancia
- En esa época se propusieron modelos mecánicos que veían la gravedad no como una atracción, sino como un efecto de empuje
- La idea era que partículas invisibles golpeaban los objetos desde todas las direcciones, y que entre dos objetos, debido al efecto de absorción de partículas, surgía una fuerza neta en dirección a acercarlos
- Esas teorías no prosperaron, y Einstein presentó la relatividad general, que explica la gravedad como una deformación del espacio y el tiempo
- Sin embargo, la relatividad general difícilmente puede considerarse una teoría final, por lo que continúan los intentos de entender la gravedad como resultado de un comportamiento colectivo a una escala más microscópica
La idea básica de la gravedad entrópica
- El equipo del Lawrence Berkeley National Laboratory liderado por Carney propuso a comienzos de este año, en un nuevo artículo, un enfoque cercano a una versión moderna de los modelos mecánicos del siglo XVII
- La suposición central es que un “gas o sistema térmico” invisible interactúa aleatoriamente con la masa y que, en promedio, aparecen fenómenos gravitacionales familiares, como la Tierra orbitando alrededor del Sol
- Este enfoque se conoce como gravedad entrópica (entropic gravity) e interpreta una física más profunda como física del calor
- El movimiento aleatorio y la mezcla de partículas que gobiernan las máquinas de vapor, los motores de automóvil y los refrigeradores
- El consecuente aumento de la entropía, es decir, del desorden
- La perspectiva de que esos procesos dan origen a la gravedad
- La gravedad entrópica ha aparecido repetidamente durante décadas, pero sigue siendo una postura minoritaria
- La característica de este modelo es que, algo poco común para una teoría sobre el origen de la atracción universal, plantea posibilidades experimentales
El extraño punto de contacto entre la relatividad general y la termodinámica
- La relatividad general predice que una estrella puede colapsar y convertirse en un agujero negro, pero en el centro de un agujero negro la gravedad se vuelve infinitamente intensa y la teoría no puede decir qué ocurre después
- Aunque el concepto de calor no formó parte de su desarrollo, la relatividad general tiene propiedades parecidas a la termodinámica
- Los agujeros negros solo crecen, no se reducen
- Solo engullen, no vuelven a expulsar
- Esa irreversibilidad se parece al flujo del calor
- Cuando se estudia con mecánica cuántica el espacio-tiempo deformado alrededor de un agujero negro, el agujero negro emite energía como un objeto caliente
- Si el calor es el movimiento aleatorio de partículas, estos efectos térmicos sugieren la posibilidad de que los agujeros negros y el continuo del espacio-tiempo estén formados por algún tipo de partículas o componentes microscópicos
El artículo de Jacobson de 1995 y los enfoques existentes
- A partir de las pistas obtenidas de los agujeros negros, los físicos han estudiado de varias maneras cómo el espacio-tiempo emerge de componentes más microscópicos
- Un enfoque representativo, el principio holográfico, compara la aparición del espacio-tiempo con un holograma común
- Así como los patrones ondulados en una superficie plana crean sensación de profundidad, los patrones de los componentes microscópicos del universo podrían crear otra dimensión espacial
- Si esa nueva dimensión está curvada, la gravedad surge de manera natural
- Ted Jacobson, de la University of Maryland, introdujo la gravedad entrópica en un artículo de 1995
- Mientras que los estudios anteriores extraían de la teoría de Einstein resultados parecidos al calor, Jacobson hizo lo inverso: supuso propiedades térmicas del espacio-tiempo y derivó las ecuaciones de la relatividad general
- Para Carney, este resultado es una señal de que el paralelismo entre la gravedad y el calor es importante
El primer modelo del equipo de Carney: una red de cúbits
- Carney, Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh y Jacob Taylor propusieron dos modelos de cómo la atracción gravitacional podría surgir de componentes microscópicos
- En el primer modelo, el espacio está lleno de una red cristalina de partículas cuánticas o cúbits (qubit)
- Cada cúbit tiene una orientación, como la aguja de una brújula
- Cuando un objeto con masa está cerca, los cúbits circundantes se alinean con ese objeto
- Un objeto con masa crea una región de alto orden dentro de una red de cúbits que originalmente tiene orientaciones aleatorias
- Si se colocan dos masas en la red, también aparecen dos regiones de alto orden, y el alto orden corresponde a baja entropía
- Como el sistema tiende a maximizar la entropía, surge un efecto que empuja las dos masas a acercarse entre sí para hacer más pequeñas las regiones ordenadas
- En apariencia, las dos masas parecen atraerse gravitacionalmente, pero la acción real la realizan los cúbits
- Esta atracción aparente disminuye como en la ley de Newton, de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las dos masas
Segundo modelo: cúbits sin posición definida
- El segundo modelo elimina la red
- Los objetos con masa siguen estando en el espacio y siguen siendo afectados por los cúbits, pero los cúbits no ocupan una posición específica y pueden estar muy alejados
- Esta característica busca capturar la no localidad de la gravedad newtoniana
- Es la propiedad de que todos los objetos del universo actúan en cierta medida sobre todos los demás
- Cada cúbit puede almacenar energía, y la cantidad almacenada depende de la distancia entre las masas
- Si las masas están muy separadas, la capacidad energética de un solo cúbit aumenta y la energía total puede alojarse en unos pocos cúbits
- Si las masas se acercan, la capacidad energética de un solo cúbit disminuye y la energía total debe repartirse entre más cúbits
- Una situación en la que la energía se reparte entre más cúbits corresponde a mayor entropía, por lo que el sistema empuja las masas a acercarse entre sí, coincidiendo con la gravedad newtoniana
Límites del modelo y escepticismo
- Carney advierte que ambos modelos son ad hoc
- No hay evidencia independiente de que existan esos cúbits
- Fue necesario ajustar finamente la intensidad y la dirección de la fuerza que ejercen los cúbits
- Tampoco está claro si esto representa una mejora frente a la visión de que la gravedad es fundamental
- Lo que estos modelos reproducen es solo la ley de gravitación de Newton, no toda la teoría de Einstein, que identifica la gravedad con la curvatura del espacio-tiempo
- Para Carney, estos modelos no son modelos realistas de cómo funciona realmente el universo, sino más bien pruebas de principio que muestran que el comportamiento colectivo puede explicar la atracción gravitacional
- Mark Van Raamsdonk, de la University of British Columbia, duda incluso de que estos modelos sean pruebas de principio
- Como investigador de holografía, considera que los nuevos modelos entrópicos no tienen propiedades especiales de la gravedad, como el hecho de que no se sienta la gravedad durante la caída libre
- Para Ramy Brustein, de Ben-Gurion University, el verdadero desafío de la física gravitacional son las regiones de acoplamiento fuerte y campo intenso, como los agujeros negros, y este modelo entrópico no puede decir nada sobre ellas
Señales que podrían buscarse en campos gravitatorios débiles
- Los defensores de la gravedad entrópica creen que los físicos no deberían estar demasiado seguros de cómo funciona la gravedad en campos débiles
- Si la gravedad es un efecto colectivo de los cúbits, la ley de fuerza de Newton corresponde a un promedio estadístico
- Los efectos de cada instante podrían fluctuar alrededor de ese promedio
- Erik Verlinde, de la University of Amsterdam, cree que esas fluctuaciones podrían llegar a ser observables, por lo que hay que ir a campos extremadamente débiles
- Verlinde defendió la gravedad entrópica en un artículo de 2010 y desde entonces ha seguido desarrollando esta idea
Hacia experimentos de superposición cuántica y colapso
- Carney considera que la principal ventaja del nuevo modelo es que plantea preguntas conceptuales sobre la gravedad y abre nuevas direcciones experimentales
- Si un objeto con masa está en un estado de superposición cuántica (superposition) en dos posiciones, surge la pregunta de si su campo gravitatorio también estará en superposición y atraerá a un objeto que cae en dos direcciones
- El nuevo modelo de gravedad entrópica predice que los cúbits actúan sobre los objetos con masa y los sacan de estados de superposición como el gato de Schrödinger
- Este escenario se conecta con el problema del colapso de la función de onda
- El problema del colapso de la función de onda pregunta por qué, cuando se mide un sistema cuántico en superposición, varias posibilidades se convierten en un único estado definido
- Algunos físicos han propuesto que el colapso ocurre por la aleatoriedad inherente del universo
- Aunque estos modelos de colapso difieren en detalles del modelo de Carney, podrían producir resultados experimentales similares
- Predicen que un sistema cuántico aislado terminará colapsando por sí solo aunque no sea medido ni afectado desde el exterior
- Angelo Bassi, de la University of Trieste, considera que en principio el mismo dispositivo experimental podría usarse para verificar ambos tipos de modelos
- Bassi ha liderado este tipo de experimentos, y algunos modelos de colapso ya han sido descartados
Implicaciones a largo plazo
- Van Raamsdonk es escéptico, pero considera valioso explorar otros mecanismos porque no está establecido que la gravedad real de nuestro universo provenga de la holografía
- Si esta hipótesis de largo alcance es correcta, la gravedad podría ser menos una ley que una tendencia estadística
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
Veo la gravedad entrópica como algo parecido al “efecto nuez de Brasil” [0] [1]. Es el fenómeno por el cual, si se agita un vaso con nueces de distintos tamaños, las más grandes suben a la parte superior.
Según entiendo, los objetos grandes, al tener más masa, se mueven más lentamente cuando se los agita; y como las nueces de Brasil se mueven menos que los cacahuates, por efecto de la gravedad se forman huecos debajo de ellas y los cacahuates llenan esos espacios.
En la gravedad entrópica parece que se plantea que algo con cierta densidad fundamental —partículas o partículas subatómicas, por ejemplo— golpea aleatoriamente los objetos desde todas las direcciones. Cuando dos objetos de gran masa se acercan, la densidad en la región intermedia baja, de modo que en esa zona de menor densidad las partículas chocan con menos frecuencia y los objetos se atraen entre sí. Es como si proyectaran una especie de “sombra”.
No soy físico, pero cuando lo busqué hace tiempo recuerdo que había una suposición sobre la densidad de las partículas que “golpean” los objetos de gran masa, y que era difícil justificar esa densidad. Me gustaría que alguien que sepa más me corrija o lo explique.
Además, el efecto nuez de Brasil realmente ocurre muy bien. Si quieres pasas, agita el raisin bran; si quieres encontrar el regalo que dejó tu gato, agita la arena para gatos. Funciona sorprendentemente bien.
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
[1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM
Se propusieron varios mecanismos para explicar la gravedad, y uno de ellos supone que en el universo hay muchas partículas moviéndose muy rápidamente en todas las direcciones y que, al atravesar la materia, se absorben un poco. Si el Sol está cerca, algunas de las partículas que llegan a la Tierra pasando por el Sol son absorbidas, por lo que llegan menos desde ese lado que desde el lado opuesto, y la Tierra recibe una fuerza neta hacia el Sol. La ley del inverso del cuadrado de la distancia también sale fácilmente.
Pero cuando la Tierra orbita alrededor del Sol, chocaría más con las partículas que vienen desde la dirección de avance, recibiendo una resistencia al movimiento y debería frenarse en su órbita. Al hacer los cálculos, la Tierra no habría podido durar lo suficiente como para seguir todavía en órbita, así que este mecanismo no funciona. La idea es que nunca se ha inventado un dispositivo que “explique” la gravedad sin predecir además otros fenómenos que no existen.
A bajas velocidades aparece algo parecido a la gravedad newtoniana, pero a altas velocidades surge un patrón similar a la gravedad MOND, con cúmulos de galaxias y grandes vacíos, y parece que no haría falta materia oscura.
https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
“Estirar la liga es una expansión isobárica (A → B) que aumenta la energía pero reduce la entropía”.
En la gravedad entrópica de Verlinde hay una interacción gravitatoria que devuelve la conexión entre dos masas a un estado “menos estirado”. Cuanto más cerca están dos objetos, mayor es la entropía que cuando están lejos, y aparece una especie de tensión que atrae entre sí a los objetos separados.
En el enfoque de Carney y otros hay una “presión mediada por un sistema microscópico impulsado por extremos de energía libre”, lo que significa que la entropía es menor cuando los objetos están lejos que cuando están cerca. Esa entropía proviene de un gas, y la presión es más baja cuando los objetos están cerca y más alta cuando están lejos. Como la presión es lo opuesto a la tensión, en términos generales ambas teorías de gravedad entrópica tienen una estructura con una ley universal comparable a las leyes de Newton: los objetos se mueven juntos por una fuerza entrópica.
Esta fuerza entrópica no es fundamental, sino que surge del comportamiento estadístico de grados de libertad cuánticos o microscópicos en una configuración holográfica, es decir, una configuración con más dimensiones que 3+1. Es una idea muy propia de la teoría de cuerdas.
Dicho eso, si la fuerza entrópica no es estrictamente radial, es muy difícil hacerla funcionar, y también es difícil ver cómo podría emerger la relatividad general en los dominios donde ya está bien verificada.
La explicación habitual es que la agitación crea temporalmente espacios vacíos, y los objetos pequeños pueden caer hacia abajo incluso por huecos más pequeños, así que tienen más probabilidad de entrar en esos espacios.
La gravedad entrópica es un marco atractivo. Supongo que a muchos físicos les gustaría creer que la teoría del todo que aún no conocemos es microscópica y cuántica, y que la gravedad, global y extremadamente débil, surge de esa teoría como una especie de error contable.
Pero estas teorías incorporan demasiados supuestos latentes, así que cuando dicen “miren, son las ecuaciones de campo de Einstein”, es difícil creerles sin más.
Pero me cuesta aceptar que la gravedad salga de esa teoría como un error contable. Probablemente sea otra extraña familia de bosones, como las demás fuerzas.
El artículo también dice que la gravedad entrópica es una postura muy minoritaria, pero que no desaparece, y que incluso sus opositores dudan en descartarla por completo.
Como físico experimental, intento no emocionarme hasta que una nueva teoría pueda distinguir este problema mediante fenómenos observables.
Si de una teoría salen 10 predicciones y todas son cosas que ya conocemos, parece sobreajuste.
No lo entiendo.
Para mí, la entropía no es una entidad física, sino una medida de nuestro conocimiento incompleto sobre un sistema. Como solo podemos medir las propiedades macroscópicas de la materia, lo veo como un número creado para cuantificar cuán incompletamente esas propiedades macroscópicas describen el verdadero estado microscópico del sistema. Si pudiéramos hacer zoom hasta el nivel microscópico, creo que la entropía dejaría de tener sentido.
Por eso no entiendo cómo la gravedad u otras interacciones físicas fundamentales podrían surgir de la entropía. Pienso que es solo un concepto creado por humanos.
La entropía física gobierna procesos físicos reales. Como ejemplo simple, está la razón por la que el hielo se derrite en una habitación cálida; y como ejemplo más sutil, la razón por la que los cables se enredan con el tiempo.
El valor de la entropía puede verse como una forma de resumir macroscópicamente el estado de sistemas como una habitación cálida con hielo o unos cables enredados, pero no es lo mismo que el fenómeno que ese valor describe.
La entropía de Boltzmann vuelve bastante intuitiva la segunda ley. Como hay muchas más formas de que un sistema esté en un estado desordenado que en uno ordenado, con el tiempo tiende hacia una entropía más alta, y por eso el hielo se derrite en una habitación cálida.
Aun así, las fuerzas entrópicas tienen una “realidad” clara, porque pueden medirse en el laboratorio. Si no te convence, mira https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force, y en particular https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain, que es el ejemplo que siempre se usa al aprender este tema por primera vez.
Desde este punto de vista, la entropía no es simplemente algo “inventado”, sino una forma efectiva de explicar fenómenos observados. Por eso, aunque no sea una ley fundamental, es útil para las leyes físicas efectivas. De hecho, la página de Wikipedia también llama a las fuerzas entrópicas un “fenómeno emergente”.
Por lo tanto, una persona razonable que crea en la gravedad entrópica necesariamente tendría que llamar a la gravedad un fenómeno emergente. Además, tendría que concluir que hace falta una nueva teoría fundamental de la gravedad que “recupere” la interpretación probabilística de la entropía.
Lo interesante y exótico de la gravedad entrópica es que muchas otras búsquedas de teorías fundamentales parten de cuantizar la gravedad casi directamente, así como se cuantiza la mecánica clásica para llegar a la mecánica cuántica. La gravedad entrópica considera que ese enfoque es equivocado, como si no intentáramos cuantizar directamente la ley de los gases ideales.
[0] Incluso en física, no hay entropía sin una distribución de probabilidad. Quien diga otra cosa probablemente solo aprendió termodinámica y no mecánica estadística, y se quedó en el siglo XIX.
No hace falta invocar nuestro conocimiento. La entropía es una medida del número de microestados posibles para un sistema dado, y ese número existe independientemente de nosotros.
Desde hace mucho creo en la gravedad entrópica, y pienso que se debe a la espuma cuántica. En una región del espacio donde no hay nada, la espuma cuántica de ese espacio sería completamente uniforme y aleatoria.
Cuando hay masa y energía, el estado del espacio se sesga y se vuelve menos aleatorio. Esto crea un gradiente de entropía. Más aún, esto explicaría no solo la gravedad, sino también por qué el espacio entre galaxias parece mostrar energía negativa y expansión del espacio.
Me alegra que haya más investigación sobre la gravedad entrópica, y creo que es una explicación más razonable que la mayoría de las otras teorías de la gravedad que he escuchado.
Todos sabemos que la vida en la Tierra obtiene energía del Sol.
Pero esa es una explicación aproximada para niños; en realidad, la vida recibe del Sol fotones de baja entropía, realiza trabajo con ellos y luego emite calor residual infrarrojo de alta entropía. La energía se conserva y la entropía aumenta.
Entonces, ¿de dónde obtuvo el Sol originalmente fotones de baja entropía? De la gravedad. Un espacio vacío y uniforme tiene baja entropía, y cuando se formó el Sol, la “extrajo” de ahí.
No sé por qué recibe votos negativos, pero esta es la explicación que propone el premio Nobel de Física Roger Penrose: https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6
“La razón por la que la energía solar que llega a la Tierra tiene baja entropía es que toda esa energía proviene de una región del cielo con un diámetro angular de 0.5 grados”.
En otra respuesta dicen: “La razón por la que la luz solar tiene baja entropía es que el Sol está muy caliente. La entropía es, en esencia, una medida de qué tan dispersa está la energía. Si comparamos dos sistemas con la misma energía térmica, el que tiene la energía más concentrada, es decir, el de menor entropía, es más caliente”.
https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
Probablemente ambas explicaciones sean correctas en cierta medida. Pero no entiendo bien la hipótesis de que el Sol haya extraído espacio vacío y de baja entropía. ¿No se formó el Sol a partir del polvo y el gas producidos por explosiones de estrellas anteriores? Es decir, eso parece estar casi en el extremo opuesto de la baja entropía.
Las estructuras de “baja entropía” que vemos, como las estrellas, quizá sean en realidad estructuras uniformes de alta entropía a escalas mayores, y solo vemos una estructura más fina porque las observamos de cerca.
Los fotones que vienen del Sol están calientes, y el espacio alrededor del Sol está frío, por eso ese sistema tiene baja entropía.
Si el espacio alrededor del Sol estuviera tan caliente como los fotones, la entropía sería alta.
La idea de que la gravedad podría ser un resultado emergente de la forma en que la información funciona en el universo es interesante. Pero siento que todavía no hay evidencia clara de que este modelo prediga algo distinto de la relatividad general.
Por ahora, es una de esas teorías que son divertidas de explorar, pero difíciles de aceptar por completo.
La definición estadístico-mecánica de la entropía depende del número de arreglos posibles de partículas en un sistema. En un sistema cerrado, la entropía se acerca al equilibrio, y esto se ha descrito de forma sensacionalista como la “muerte térmica del universo”.
Pero sabemos que nuestro universo se está expandiendo, así que el número de arreglos posibles también aumenta y, por lo tanto, la entropía podría no llegar nunca al equilibrio. Si el universo se expande más rápido de lo que sus componentes pueden redistribuirse, la entropía incluso podría disminuir.
Considerando esto, una teoría que incluya la entropía como componente de la gravedad sugeriría la conclusión de que la gravedad cambia con el tiempo.
Este efecto me recuerda a las interacciones hidrofóbicas que se usan al modelar sistemas biológicos. Por ejemplo, la tendencia de los residuos hidrofóbicos a ubicarse en el interior de una proteína.
Me gustó mucho este texto que leí hace unos años. El dominio parece que ya no está activo, pero el contenido es una buena introducción y la mayoría de los enlaces externos todavía funcionan.
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