- Recentemente, físicos teóricos apresentaram um modelo que vê a gravidade como resultado das interações aleatórias de partículas microscópicas, ou seja, do aumento da entropia
- Esse modelo foca na relação entre entropia e gravidade, explorando uma abordagem alternativa às teorias existentes da gravidade
- O modelo de gravidade entrópica oferece previsões experimentais testáveis e sugere que a gravidade real não é uma força fundamental, mas um fenômeno coletivo
- No entanto, esse modelo explica apenas a lei da gravitação de Newton e não consegue capturar propriedades mais profundas, como a curvatura do espaço-tempo da teoria da relatividade geral
- A nova teoria também se conecta a temas como superposição quântica e colapso da função de onda, oferecendo pistas para a investigação da gravidade quântica e da natureza da gravidade
Newton, Einstein e a reinterpretação da gravidade
- Isaac Newton tinha dúvidas sobre a natureza da gravidade, e vários estudiosos da época tentaram interpretá-la não como uma 'força que puxa', mas como uma 'força que empurra'
- Albert Einstein explicou a gravidade como uma distorção do espaço e do tempo, mas isso também não foi uma explicação completa
- A interpretação de que a gravidade é um fenômeno emergente, proveniente do efeito coletivo de partículas microscópicas, isto é, de um 'comportamento de enxame', continua atraindo o interesse de muitos físicos
O renascimento moderno da teoria da gravidade entrópica
- Recentemente, uma equipe de físicos teóricos, incluindo Daniel Carney, apresentou um modelo no qual existe no universo um sistema térmico invisível capaz de explicar todos os fenômenos gravitacionais que conhecemos
- Essa abordagem é chamada de 'gravidade entrópica' e trata a gravidade como parte da física do calor (heat)
- A gravidade entrópica explica que a gravidade surge pelo mesmo princípio observado em caldeiras, motores de carro e geladeiras: o aumento da entropia causado pelo movimento aleatório e pela mistura de partículas
A conexão entre relatividade geral e entropia
- A relatividade geral oferece previsões belas e precisas, mas tem limitações, perdendo poder explicativo em singularidades como o interior dos buracos negros
- A relatividade geral indica que os buracos negros só aumentam e não diminuem, absorvendo sem emitir, o que se assemelha a um fenômeno entrópico
- Quando descritos pela mecânica quântica, os buracos negros apresentam emissão térmica (radiação Hawking), sugerindo a possibilidade de que buracos negros — ou o próprio espaço-tempo — sejam de fato compostos por partículas ou elementos microscópicos
O princípio holográfico e a abordagem de Jacobson
- O princípio holográfico explica que padrões formados por partículas microscópicas criam uma dimensão adicional, da qual a gravidade emerge naturalmente
- Ted Jacobson deduziu as equações da relatividade geral a partir da hipótese de que o espaço-tempo possui propriedades térmicas próprias
- Essa abordagem enfatiza a profunda relação entre gravidade e calor
Os modelos concretos de Carney e colegas
- Primeiro modelo: o espaço seria formado por uma rede cristalina de partículas quânticas (qubits), e objetos com massa reorganizariam os qubits vizinhos para formar uma região ordenada (redução de entropia)
- Quanto mais próximas duas massas estiverem, mais surge um efeito de atração mútua para elevar a entropia do sistema como um todo
- Esse efeito enfraquece com a distância exatamente como na lei da gravitação de Newton
- Segundo modelo: os qubits não ficam presos a posições específicas e influenciam a massa de forma não local
- Quando a distância entre duas massas muda, muda também a energia que cada qubit pode armazenar → isso faz com que a entropia do sistema aumente à medida que as massas se aproximam
Pontos fortes e limitações
- Em ambos os modelos, não há evidência independente da existência real desses qubits, e é necessário ajuste fino da intensidade e da direção da força
- Eles não conseguem explicar características centrais da gravidade, como a curvatura do espaço-tempo da relatividade geral ou a ausência de sensação de gravidade em queda livre
- Explicam apenas o regime de gravidade fraca de Newton, com pouca capacidade explicativa para regimes de gravidade forte, como buracos negros
- Os modelos estão no nível de prova de princípio e têm limitações para modelar o universo real
Verificação experimental e significado
- A maior vantagem da teoria é oferecer previsões testáveis
- Por exemplo, quando um corpo massivo está em estado de superposição quântica, existindo simultaneamente em duas posições, o modelo prevê que os qubits fariam esse estado colapsar
- Isso se conecta ao fenômeno do colapso da função de onda, e hoje já existem tentativas de testar experimentalmente esses modelos de colapso
- Como ainda não está confirmado que a gravidade real surge holograficamente, também vale a pena investigar a possibilidade de uma origem entrópica
Conclusão e implicações
- Embora a teoria da gravidade entrópica ainda seja minoritária, ela oferece novas direções experimentais e novas perguntas para a compreensão fundamental da gravidade
- Se essa teoria estiver correta, a gravidade deixará de ser reinterpretada como uma lei e passará a ser vista como uma tendência estatística
1 comentários
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Quero tentar explicar a gravidade entrópica com algo parecido com o "efeito da castanha-do-pará"
O efeito da castanha-do-pará é o fenômeno em que, ao colocar castanhas de vários tamanhos em um recipiente de vidro e sacudi-lo, as castanhas maiores sobem para o topo
Isso pode ser interpretado como resultado do fato de que as castanhas grandes, por serem mais pesadas, movem-se mais lentamente quando o recipiente é sacudido, enquanto os amendoins menores preenchem os espaços vazios embaixo
Na teoria da gravidade entrópica, imagina-se que exista uma densidade básica de partículas atingindo fortemente um objeto de maneira aleatória de todas as direções
Quando dois corpos de grande massa se aproximam, a densidade de partículas entre eles diminui, fazendo parecer que eles se atraem
A explicação é que as partículas produzem algo como um efeito de sombra
Ainda assim, acho difícil sustentar de forma convincente a hipótese sobre a densidade com que essas partículas interagem com objetos grandes
Seria bom se alguém que entendesse melhor pudesse apontar erros
O efeito da castanha-do-pará é algo realmente observável
Se você quiser tirar as passas do cereal, basta sacudi-lo, e na caixa de areia do gato, se sacudir, os presentes sobem para a superfície
Nos links abaixo, dá para ver a explicação da convecção granular na Wikipédia e um vídeo no YouTube
Também não sou físico, mas isso me lembrou um trecho das palestras do Feynman relacionado ao que foi explicado acima
Link para o texto original das palestras do Feynman
Em resumo, ele fala de uma entre várias hipóteses para explicar a gravidade, assumindo partículas movendo-se em todas as direções a altíssimas velocidades e sendo absorvidas apenas um pouco
Essas partículas atingem a Terra, e se vierem uniformemente de todos os lados, há equilíbrio
Mas quando o Sol está próximo, parte das partículas vindas daquela direção seria absorvida pelo Sol, reduzindo o número de partículas incidentes desse lado
Assim, pareceria que a Terra acaba sendo puxada em direção ao Sol, mas na prática essa teoria não funciona
Se isso fosse verdade, ao orbitar o Sol a Terra receberia mais partículas pela frente, sofreria resistência e logo pararia
Com esse mecanismo, não seria possível manter órbitas estáveis por longos períodos como vemos no universo real
Ou seja, várias pessoas imaginaram esse tipo de mecanismo gravitacional, mas ele inevitavelmente leva a previsões erradas, então não se sustenta
Este vídeo explica melhor a física granular
A velocidade da vibração (amplitude) mostra resultados em que as partículas se organizam de forma inesperada
Em vibrações baixas, o comportamento lembra a gravidade newtoniana, mas em vibrações mais rápidas aparece algo parecido com a gravidade MOND
Galáxias e grandes vazios também podem surgir, e teoricamente isso poderia ser explicado sem matéria escura
Pela interpretação entrópica, existem X estados probabilisticamente equivalentes e, quando há muitos estados que satisfazem melhor certa condição, o próximo estado tem maior chance de ir nessa direção
Por exemplo, ao lançar N moedas, existem 2^N estados possíveis
O caso em que todas dão cara é apenas um
Já as combinações com metade cara e metade coroa são muito mais numerosas, então, à medida que N cresce, o estado "macroscópico" com metade das moedas em cara passa a ser esmagadoramente mais comum
A ideia é que entropia descreve essa tendência natural de um sistema migrar para estados que são "macroscopicamente muito mais possíveis"
Tenho dúvida sobre a explicação de que "o objeto maior, por ter mais massa, move-se mais lentamente quando é sacudido"
Se o objeto maior se move mais devagar, então do ponto de vista da aceleração do recipiente não seria possível dizer que ele se move mais rápido?
A explicação cotidiana que entendo é que, ao sacudir, surgem pequenos espaços momentâneos, e os objetos menores têm maior probabilidade de preenchê-los e descer
Será que partículas de maior massa na verdade não são menores (em termos de comprimento de onda de de Broglie), e nesse caso não projetariam também uma "sombra" menor?
Talvez em outras interações a relação entre o "tamanho" da partícula e a massa seja diferente, então fico confuso sobre se, por exemplo, na gravidade o tamanho da partícula seria proporcional à massa
E outra dúvida: no começo de QM, se a wavefunction explica a amplitude de probabilidade de posição quando medida com um "fóton", então se a medição fosse feita por outra interação, como um bóson Z, a interpretação da "posição" da partícula mudaria completamente?
Na mecânica estatística, a definição de entropia vem do número de arranjos possíveis das partículas em um sistema
Em um sistema fechado, a entropia converge para o equilíbrio, dramaticamente descrito como "morte térmica"
Mas o universo está em expansão, então o número de arranjos possíveis (o número de estados) continua aumentando
Se a expansão do universo for mais rápida do que a redistribuição de seus componentes, a entropia pode até diminuir
Sob essa ótica, teorias em que a entropia entra como elemento central da gravidade podem prever que a gravidade muda ao longo do tempo
Acho a gravidade entrópica um framework atraente
Muitos físicos gostariam que a "teoria de tudo ainda não descoberta" fosse microscópica e quântica, e que a gravidade extremamente fraca surgisse da teoria quase como um erro contábil
Mas essas teorias partem de tantas suposições que, mesmo quando alguém diz "olhem, saíram as equações de Einstein", fica difícil acreditar facilmente
Jacobson mostrou que, ao combinar termodinâmica e relatividade especial, obtém-se a relatividade geral, mas essas duas condições já são tão gerais que fico pensando se ainda haveria algo mais a exigir
Gostaria de saber quais suposições você considera problemáticas pessoalmente
No nível em que o artigo fala, entendo que ainda não se chega às equações de Einstein, mas algo mais próximo da gravidade newtoniana clássica
Concordo com a afirmação de que "a teoria de tudo ainda não descoberta provavelmente terá uma forma microscópica e quântica"
Já sobre "a gravidade surgir como um erro contábil da teoria", eu apostaria mais em outra família exótica de bósons, isto é, em forma de partícula
Trecho do artigo:
"A gravidade entrópica ainda é uma posição minoritária, mas não é uma ideia que vá desaparecer facilmente, e nem os críticos conseguem ignorá-la por completo"
Sou físico experimental, então antes de me entusiasmar com uma nova teoria preciso verificar se ela chega ao ponto de prever fenômenos observáveis
Por isso também sou cético em relação a teorias como as do Wolfram
Mesmo que expliquem muitas teorias existentes — relatividade especial, parte da mecânica quântica, gravidade etc. —, se não trouxerem novas previsões testáveis nem fundamentos mais profundos, isso me parece overfitting
Se uma teoria acerta 10 previsões e todas já eram conhecidas, fica difícil esperar algo realmente novo
Essas teorias emergentes derivam a gravidade newtoniana ou a relatividade geral, mas não está claro o que exatamente se pode testar experimentalmente nelas
Se previssem MOND (dinâmica newtoniana modificada) sem introduzir um campo de MOND separado, só então seria possível dizer que são falseáveis no nível em que MOND é testada
Às vezes fico pensando: se a nossa física nem permitisse a existência de buracos negros, como teríamos feito testes de estresse das teorias?
Acho que os buracos negros cumprem, na cosmologia, um papel importante para o avanço teórico, quase como o de "velas padrão"
Na prática, até que se prove alguma utilidade, é melhor encarar isso como um divertido exercício de matemática
Entre dois modelos, o que tem menor "comprimento mínimo de descrição" (MDL) provavelmente tem mais chance de generalizar melhor
Acho que o magnetismo é mais próximo da gravidade
Defendo isso há anos e sinto que a maioria dos campos magnéticos desalinhados se soma para produzir um efeito líquido muito pequeno de atração
Eu realmente não entendo muito bem
Para mim, entropia não é um fenômeno físico real, mas uma forma de quantificar nossa imperfeição quando não conhecemos completamente um sistema
Como só observamos propriedades macroscópicas da matéria, criamos um indicador que não representa fielmente a realidade microscópica
Se pudéssemos conhecer perfeitamente o mundo microscópico com um microscópio, o próprio conceito de entropia perderia o sentido
Por isso não consigo entender quando dizem que a gravidade ou outras interações fundamentais surgem da entropia
Entropia me parece um conceito criado por humanos
Isso é um equívoco
A entropia física governa fenômenos reais
Exemplos: por que o gelo derrete em uma sala quente, por que cabos vão se embolando com o tempo
O fato de medirmos a entropia apenas resume estados macroscópicos, como gelo numa sala ou cabos embolados
A entropia no sentido de Boltzmann explica a tendência geral de aumento da entropia porque o número de maneiras de organizar algo de forma "desordenada" é esmagadoramente maior
É por isso que o gelo inevitavelmente derrete
A entropia também é uma "entidade" física, assim como a temperatura
O fato de a temperatura não existir no nível de uma única partícula não significa que ela deixe de ser uma grandeza física
A entropia mede o número de microestados de um sistema específico, e esse número existe independentemente do observador
No fundo, entropia é uma forma de quantificar a "ignorância" por não conhecermos completamente um sistema
Ainda assim, é possível medir em laboratório fenômenos reais de "força entrópica"
Recomendo a explicação da força entrópica na Wikipédia e o exemplo de cadeia ideal
Nessa visão, entropia não é apenas um método de cálculo criado por humanos; ela explica de forma eficaz fenômenos observados, embora não seja uma lei fundamental da física
Se você acredita em gravidade entrópica, então está apoiando a ideia de que a gravidade é um fenômeno emergente e, no fim, será necessária uma teoria mais fundamental da gravidade
Os trabalhos existentes tendem a tentar quantizar a gravidade diretamente, mas a gravidade entrópica sugere algo parecido com dizer que não deveríamos tentar quantizar à força a equação dos gases
Além disso, não existe "entropia sem distribuição de probabilidade". Afirmar simplesmente que entropia é uma "grandeza real" é uma visão do século XIX
A entropia usada em ciência da computação e a entropia da física são coisas diferentes
Recomendo esta palestra, que explica bem essa diferença
Eu também achava que entropia era apenas uma questão dos limites da nossa percepção, mas hoje acredito que, por causa do princípio da incerteza de Heisenberg, é fundamentalmente impossível conhecer perfeitamente os microestados
Todos os eventos são basicamente irreversíveis, e a entropia sempre aumenta
A perfeição só é possível dentro da teoria
A ideia de que a gravidade emerge dependendo de como a informação funciona é atraente
Só que ainda não vi evidência clara de que esse modelo preveja fenômenos diferentes da relatividade geral
Por enquanto, é uma teoria divertida de discutir, mas difícil de aceitar por completo
Fico curioso se isso é compatível com o modelo de física baseado em hipergrafos do Wolfram
Nesse quadro, a gravidade pode ser um fenômeno emergente do comportamento estatístico da evolução do hipergrafo, e talvez possa ser interpretada como uma "força entrópica" decorrente da tendência do sistema a minimizar a complexidade computacional
Um caso interessante de emergent fox-treasure gravity no jogo Skyrim
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Se é gravidade entrópica, então não seria algo parecido com empuxo (buoyancy)?