- Recientemente, teóricos de la física han propuesto un modelo que ve la gravedad como el resultado de interacciones aleatorias de partículas microscópicas, es decir, como consecuencia de un aumento de la entropía
- Este modelo se enfoca en la relación entre entropía y gravedad, y explora un enfoque alternativo frente a las teorías existentes de la gravedad
- El modelo de gravedad entrópica ofrece predicciones experimentales comprobables y sugiere que la gravedad real no es una fuerza fundamental, sino un fenómeno colectivo
- Sin embargo, este modelo solo explica la ley de gravitación de Newton y no logra captar propiedades profundas de la relatividad general, como la curvatura del espacio-tiempo
- La nueva teoría también se conecta con la superposición cuántica y el colapso de la función de onda, ofreciendo pistas para la teoría de la gravedad cuántica y la exploración de la naturaleza de la gravedad
Newton, Einstein y la reinterpretación de la gravedad
- Isaac Newton estaba confundido sobre la naturaleza de la gravedad, y en su época varios estudiosos intentaron interpretarla no como una fuerza que “jala”, sino como una fuerza que “empuja”
- Albert Einstein explicó la gravedad como una distorsión del espacio y el tiempo, pero eso tampoco era una explicación completa
- La interpretación de que la gravedad es un fenómeno emergente del efecto colectivo de partículas microscópicas, es decir, una especie de “comportamiento de enjambre”, sigue siendo un tema de interés para muchos físicos
El resurgimiento moderno de la teoría de la gravedad entrópica
- Recientemente, un equipo de físicos teóricos encabezado por Daniel Carney presentó un modelo en el que existe un sistema térmico invisible en el universo, capaz de explicar todos los fenómenos gravitacionales que conocemos
- Este enfoque se conoce como gravedad entrópica y considera la gravedad como una forma de física del calor (heat)
- La gravedad entrópica explica que la gravedad se genera por el mismo principio con el que aumenta la entropía debido al movimiento aleatorio y la mezcla de partículas, como se observa en calderas, motores de automóvil y refrigeradores
La conexión entre la relatividad general y la entropía
- La relatividad general ofrece predicciones bellas y precisas, pero tiene límites donde pierde poder explicativo, como en singularidades dentro de los agujeros negros
- La relatividad general se parece a fenómenos entrópicos en aspectos como que los agujeros negros solo crecen y no se encogen, y que absorben sin emitir
- Cuando se describen con mecánica cuántica, los agujeros negros producen emisión térmica (radiación de Hawking), lo que sugiere la posibilidad de que los agujeros negros o el espacio-tiempo estén realmente compuestos por partículas microscópicas o componentes fundamentales
El principio holográfico y el enfoque de Jacobson
- El principio holográfico explica que los patrones creados por partículas microscópicas generan dimensiones adicionales, de las que la gravedad emerge de manera natural
- Ted Jacobson dedujo las ecuaciones de la relatividad general a partir de la suposición de que el espacio-tiempo posee propiedades térmicas propias
- Este enfoque subraya la profunda relación entre gravedad y calor
Los modelos concretos de Carney y su equipo
- Primer modelo: el espacio está compuesto por una red cristalina de partículas cuánticas (qubits), y un objeto con masa reorganiza los qubits cercanos para formar una región ordenada (reducción de entropía)
- Cuanto más se acercan dos masas, surge un efecto por el cual se atraen entre sí para aumentar la entropía del sistema completo
- Este efecto se debilita con la distancia exactamente igual que la ley de gravitación de Newton
- Segundo modelo: los qubits no están atados a posiciones específicas y afectan a la masa de manera no local
- Cuando cambia la distancia entre dos masas, cambia la energía que cada qubit puede almacenar → esto hace que la entropía del sistema aumente cuanto más cerca estén las masas
Fortalezas y limitaciones
- Ninguno de los dos modelos cuenta con evidencia independiente de la existencia real de los qubits, y además requieren un ajuste fino de la intensidad y la dirección de la fuerza
- No logran explicar propiedades esenciales de la gravedad, como la curvatura del espacio-tiempo o la insensibilidad a la gravedad durante la caída libre, tal como sí lo hace la relatividad general
- Solo explican el régimen de gravedad débil de Newton, y tienen poca capacidad explicativa en regiones de gravedad fuerte como los agujeros negros
- Los modelos están al nivel de una demostración de principio, y tienen límites para modelar el universo real
Verificación experimental y significado
- La mayor ventaja de la teoría es que ofrece predicciones comprobables
- Por ejemplo, cuando un objeto masivo está en un estado de superposición cuántica en dos posiciones al mismo tiempo, este modelo predice que los qubits provocarán su colapso
- Esto se relaciona con el fenómeno de colapso de la función de onda, y actualmente hay intentos en marcha para verificar experimentalmente este tipo de modelos de colapso
- Como todavía no se ha confirmado si la gravedad real emerge de forma holográfica, también vale la pena investigar la posibilidad de un origen entrópico
Conclusión e implicaciones
- Aunque la teoría de la gravedad entrópica sigue siendo una postura minoritaria, ofrece nuevas direcciones experimentales y preguntas para comprender la naturaleza de la gravedad
- Si esta teoría es correcta, la gravedad ya no tendría que reinterpretarse como una ley, sino como una tendencia estadística
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Quiero explicar la gravedad entrópica como algo parecido al "efecto nuez de Brasil"
El efecto nuez de Brasil es el fenómeno por el cual, si pones nueces de distintos tamaños en un vaso de vidrio y lo agitas, la nuez grande (la nuez de Brasil) termina subiendo a la parte superior
Esto puede interpretarse como resultado de que la nuez grande, al ser más pesada, se mueve más lentamente cuando se agita, mientras que los cacahuates pequeños llenan los espacios vacíos de abajo
En la teoría de la gravedad entrópica, se asume una densidad básica de partículas que golpean con fuerza a un objeto de manera aleatoria desde todas las direcciones
Cuando dos masas grandes se acercan, la densidad de partículas entre ellas disminuye y eso hace que parezca que se atraen mutuamente
La explicación es que las partículas producen algo así como un efecto de sombra
Pero me cuesta ver cómo puede sostenerse de forma convincente la suposición sobre la densidad con la que las partículas interactúan con objetos grandes
Ojalá alguien que sepa más pueda señalar en qué me equivoco
El efecto nuez de Brasil es un fenómeno realmente observable
Si quieres sacar las pasas del cereal, agítalo, y en la caja de arena del gato, si la agitas, los regalitos suben a la superficie
Aquí se puede ver la explicación de Wikipedia sobre convección granular y un video de YouTube
Yo tampoco soy físico, pero esto me recordó un pasaje de las conferencias de Feynman relacionado con lo que se explicó arriba
Enlace al texto original de las conferencias de Feynman
La idea central es que, al describir una de las varias hipótesis para explicar la gravedad, se supone que hay partículas moviéndose a altísima velocidad en todas direcciones y que solo se absorben un poco
Estas partículas golpean la Tierra, y si llegan de manera uniforme desde todas partes, hay equilibrio
Pero cuando el Sol está cerca, parte de las partículas que vienen desde la dirección del Sol son absorbidas, así que llegan menos partículas desde ese lado
Por eso parecería que la Tierra termina siendo jalada hacia el Sol, pero en realidad esta teoría no funciona
Si fuera correcta, cuando la Tierra orbita alrededor del Sol recibiría más partículas por la parte delantera, sufriría resistencia y pronto se detendría
Con este mecanismo no se puede mantener una órbita estable durante mucho tiempo como ocurre en el universo real
Es decir, mucha gente imaginó una máquina de gravedad de este tipo, pero inevitablemente produce predicciones erróneas, así que no se sostiene
Este video explica mejor la física granular
Muestra cómo la velocidad de la vibración (amplitud) produce una disposición inesperada de las partículas
Con vibraciones lentas actúa de forma parecida a la gravedad newtoniana, pero con vibraciones más rápidas aparecen fenómenos similares a la gravedad MOND
Incluso se forman galaxias y grandes vacíos, y en teoría podría explicarse sin materia oscura
Según la interpretación entrópica, hay X estados probabilísticamente equivalentes, y si hay muchos estados que satisfacen más cierta condición, entonces es más probable que el siguiente estado vaya en esa dirección
Por ejemplo, si lanzas N monedas, hay 2^N estados posibles
Solo hay uno en el que todas salen cara
Hay muchísimas más combinaciones con mitad caras y mitad cruces, así que a medida que N crece, el estado "macroscópico" de mitad caras domina de forma abrumadora
La idea es que la entropía describe la tendencia natural de un sistema a moverse hacia esos estados que son "macroscópicamente mucho más posibles"
Me genera dudas la explicación de que "un objeto grande, al tener más masa, se mueve más lentamente cuando se agita"
Si el objeto grande se mueve más lento, ¿no podría decirse que se mueve más rápido desde el marco acelerado del recipiente?
La explicación cotidiana que entiendo es que, al agitar, se crean pequeños huecos momentáneos y los objetos más pequeños tienen más probabilidad de llenar esos espacios y caer hacia abajo
¿No serían en realidad más pequeñas las partículas con mayor masa, al menos según la longitud de onda de de Broglie? Entonces me pregunto si su "sombra" no sería también más pequeña
Quizá en otras interacciones la relación entre el "tamaño" de una partícula y su masa sea distinta, por ejemplo si en gravedad el tamaño de la partícula fuera proporcional a la masa, pero ahí ya me confundo
Y además, si al inicio de QM (mecánica cuántica) la wavefunction describe la amplitud de probabilidad de posición cuando se mide con un "fotón", me pregunto si, al medir con otra interacción como un bosón Z, la interpretación de la "posición" de la partícula cambiaría por completo
En mecánica estadística, la definición de entropía depende del número de configuraciones posibles de las partículas dentro de un sistema
En un sistema cerrado, la entropía converge hacia un estado de equilibrio que dramáticamente se describe como "muerte térmica" (heat death)
Pero el universo se está expandiendo, así que el número de configuraciones posibles (el número de estados) sigue aumentando
Si la expansión del universo fuera más rápida que la redistribución de sus componentes, la entropía podría disminuir
Desde esta perspectiva, una teoría que incorpore la entropía como elemento central de la gravedad podría predecir que la gravedad cambia con el tiempo
Me parece que la gravedad entrópica es un marco atractivo
Muchos físicos quisieran que una "teoría del todo aún no descubierta" fuera microscópica y cuántica, y que la gravedad, tan débil, surgiera de la teoría casi como un error contable
Pero estas teorías parten de demasiadas suposiciones básicas, así que aunque digan "miren, salieron las ecuaciones de Einstein", cuesta creerles fácilmente
Jacobson mostró que, al combinar termodinámica y relatividad especial, se deriva la relatividad general, pero esas dos condiciones ya son tan generales que uno se pregunta si realmente hace falta algo más
Personalmente, me gustaría saber cuáles son las suposiciones que te parecen problemáticas
Al nivel que menciona el artículo, entiendo que todavía no se llega a las ecuaciones de Einstein, sino apenas a algo como la gravedad newtoniana clásica
Estoy de acuerdo con la afirmación de que "la teoría del todo aún no descubierta probablemente tendrá una forma microscópica y cuántica"
En cuanto a que "la gravedad aparece en la teoría como un error contable", yo más bien pensaría en otra familia extraña de bosones (en forma de partículas)
Del artículo:
"La gravedad entrópica sigue siendo una postura minoritaria, pero no es una idea que vaya a desaparecer fácilmente, y ni siquiera sus críticos pueden ignorarla por completo"
Yo soy físico experimental, así que antes de emocionarme con una teoría nueva necesito ver si realmente llega a hacer predicciones observables
Por eso también soy escéptico con teorías como las de Wolfram
Aunque expliquen muchísimas teorías ya existentes (relatividad especial, parte de la mecánica cuántica, gravedad, etc.), si no ofrecen predicciones nuevas verificables ni una base más fundamental, me parece "overfitting"
Aunque una teoría acierte 10 predicciones y todas coincidan con la realidad, si ya las conocíamos de antes, es difícil esperar algo realmente nuevo
Estas teorías emergentistas suelen derivar la gravedad newtoniana o la relatividad general, pero no está claro qué se puede probar realmente en experimentos
Si llegaran a predecir MOND (dinámica newtoniana modificada) sin introducir un campo MOND por separado, entonces sí podría decirse que serían refutables al nivel en que se pone a prueba MOND
A veces pienso en cómo habríamos puesto a prueba nuestras teorías si nuestra física ni siquiera permitiera la existencia de agujeros negros
Creo que los agujeros negros cumplen en cosmología un papel importante parecido al de las "velas estándar" para el avance teórico
Siendo realistas, hasta que no demuestre utilidad práctica, hay que verla como una entretenida sesión de resolución de problemas matemáticos
Entre dos modelos, sostengo que el que tenga una "longitud mínima de descripción (MDL)" más corta tiene más probabilidades de generalizar mejor
Yo creo que el magnetismo está más cerca de la gravedad
Llevo años diciendo esto, y siento que muchos campos magnéticos desalineados, al sumarse, producen un efecto neto de atracción muy pequeño
No termino de entenderlo
Para mí, la entropía no es un fenómeno físico real, sino una medida de nuestra falta de conocimiento perfecto sobre un sistema
Como solo observamos propiedades macroscópicas de la materia, construimos un indicador que no representa de forma completa la realidad microscópica
Si pudiéramos conocer perfectamente el mundo microscópico con un microscopio, el concepto mismo de entropía dejaría de tener sentido
Por eso no entiendo cómo la gravedad u otras interacciones fundamentales podrían surgir de la entropía
Siento que la entropía es un concepto inventado por los humanos
Eso es un malentendido
La entropía física sí gobierna fenómenos reales
Por ejemplo, explica por qué el hielo se derrite en una habitación cálida o por qué los cables se enredan cada vez más
Que midamos la entropía solo significa que resumimos estados macroscópicos como el hielo en una habitación o un cable enredado
La entropía al estilo de Boltzmann explica por qué, en conjunto, la entropía tiende a aumentar: porque hay una cantidad abrumadoramente mayor de formas de ordenar el sistema de manera "desordenada"
Por eso el hielo necesariamente termina derritiéndose
La entropía también es una "realidad" física, igual que la temperatura
No hace falta pensar que deja de ser una magnitud física solo porque no exista al nivel de una sola partícula
La entropía mide el número de microestados de un sistema determinado, y ese número existe independientemente del observador
En el fondo, la entropía cuantifica la "ignorancia" de no conocer por completo un sistema
Aun así, en laboratorio sí se pueden medir fenómenos reales de "fuerza entrópica (entropic force)"
Recomiendo la explicación de Wikipedia sobre fuerza entrópica y el ejemplo de una cadena ideal
Visto así, la entropía no es simplemente un método de cálculo inventado por humanos, sino una forma eficaz de describir fenómenos observables, aunque no sea una ley fundamental de la física
Si uno cree en la gravedad entrópica, entonces está apoyando la idea de que la gravedad es un "fenómeno emergente", y en consecuencia se necesitaría una teoría de la gravedad más fundamental
La investigación convencional suele intentar cuantizar directamente la gravedad, pero la gravedad entrópica se parece más a decir que no conviene intentar cuantizar a la fuerza la ecuación de estado de un gas
Y agrego algo más: no puede existir una "entropía sin distribución de probabilidad". Afirmar sin más que la entropía es una "cantidad real" es una visión decimonónica
La entropía que se usa en ciencias de la computación y la entropía como término de física no son lo mismo
Recomiendo esta charla, que explica bien la diferencia
Antes yo también pensaba que la entropía era solo un problema de los límites de nuestro conocimiento, pero ahora creo que, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, en realidad nunca podemos conocer completamente los microestados
Todos los eventos son fundamentalmente irreversibles y la entropía siempre aumenta
La perfección solo es posible dentro de la teoría
La idea de que la gravedad emerge según cómo funciona la información es atractiva
Pero todavía no he visto evidencia clara de que este modelo prediga fenómenos distintos a los de la relatividad general
Por ahora me parece una teoría interesante para discutir, pero me cuesta aceptarla por completo
Me pregunto si esto es compatible con el modelo de física basado en hipergrafos de Wolfram
En ese marco, la gravedad sería un fenómeno emergente del comportamiento estadístico de la evolución del hipergrafo, y podría interpretarse como una "fuerza entrópica" que surge de la tendencia del sistema a minimizar la complejidad computacional
Comparten un caso interesante sobre la emergent fox-treasure gravity del juego Skyrim
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En resumen, las zonas con tesoros muestran una mayor "entropía" en las rutas aleatorias del zorro, así que el zorro termina yendo hacia el tesoro más fácilmente sin proponérselo
Entonces, si es gravedad entrópica, ¿no se parecería a la flotabilidad (buoyancy)?