A gravidade é apenas um fenômeno de aumento da entropia? Hipótese antiga volta a ganhar atenção
(quantamagazine.org)- O novo modelo da equipe de Daniel Carney trata a gravidade não como uma força fundamental, mas como um efeito coletivo que surge do aumento da entropia, chamando atenção por abrir uma brecha testável no debate sobre gravidade quântica
- Essa abordagem considera que componentes microscópicos invisíveis interagem com a massa de forma aleatória, e que seu efeito médio aparece como fenômenos gravitacionais familiares, como a órbita da Terra
- Os dois modelos reproduzem a forma de inversamente proporcional ao quadrado da distância da gravidade newtoniana por meio de uma rede de qubits e de qubits sem posição definida, embora o próprio Carney ressalte que eles estão mais próximos de uma prova de princípio do que de um modelo realista do universo
- Céticos criticam o fato de que esses modelos não conseguem tratar da curvatura do espaço-tempo da relatividade geral, da natureza especial da queda livre e de regiões de gravidade intensa, como buracos negros
- Experimentos que busquem colapso da função de onda causado por superposição quântica de corpos massivos ou flutuações estatísticas em campos gravitacionais fracos podem se tornar o verdadeiro teste dessa hipótese
Uma antiga tentativa de ver a gravidade como efeito coletivo
- Depois de publicar a lei da gravitação universal em 1687, Newton ainda não ficou totalmente satisfeito com a explicação de como dois corpos poderiam se atrair à distância
- Na época, foram propostos modelos mecânicos que viam a gravidade não como atração, mas como um efeito de empurrão
- A ideia era que partículas invisíveis atingiam os corpos de todas as direções e, entre dois corpos, o efeito de absorção dessas partículas gerava uma força resultante apontando para sua aproximação
- Essas teorias não tiveram sucesso, e Einstein apresentou a relatividade geral, que explica a gravidade como distorção do espaço e do tempo
- Mas a relatividade geral também é difícil de considerar uma teoria final, então continuam as tentativas de entender a gravidade como resultado de um comportamento coletivo em escala mais microscópica
A ideia básica da gravidade entrópica
- A equipe do Lawrence Berkeley National Laboratory liderada por Carney propôs, no início deste ano, em um novo artigo, uma abordagem próxima de uma versão moderna dos modelos mecânicos do século 17
- A hipótese central é que um “gás ou sistema térmico” invisível interage aleatoriamente com a massa e, em média, produz fenômenos gravitacionais familiares, como a Terra orbitando o Sol
- Essa abordagem é chamada de gravidade entrópica (entropic gravity) e interpreta uma física mais profunda como física do calor
- a agitação e a mistura aleatórias de partículas que governam motores a vapor, motores de automóveis e geladeiras
- a entropia resultante, isto é, o aumento da desordem
- a visão de que esses processos dão origem à gravidade
- A gravidade entrópica reaparece repetidamente há décadas, mas continua sendo uma visão minoritária
- Uma característica deste modelo é que, raramente para uma teoria sobre a origem da atração universal, ele propõe possibilidades experimentais
O estranho ponto de contato entre relatividade geral e termodinâmica
- A relatividade geral prevê que estrelas podem colapsar e virar buracos negros, mas no centro deles a gravidade se torna infinitamente forte e a teoria não consegue dizer o que vem depois
- Embora o conceito de calor não tenha entrado em seu desenvolvimento, a relatividade geral tem propriedades que lembram a termodinâmica
- buracos negros só crescem, não encolhem
- eles apenas engolem, não devolvem o que absorvem
- essa irreversibilidade se parece com o fluxo de calor
- Quando se estuda o espaço-tempo distorcido ao redor de buracos negros com mecânica quântica, eles emitem energia como corpos quentes
- Se o calor é o movimento aleatório de partículas, então esses efeitos térmicos sugerem a possibilidade de que buracos negros e o contínuo do espaço-tempo sejam formados por algum tipo de partícula ou componente microscópico
O artigo de Jacobson de 1995 e as abordagens anteriores
- Com base nas pistas obtidas com buracos negros, físicos vêm estudando de várias formas como o espaço-tempo poderia emergir de componentes mais microscópicos
- Uma abordagem representativa, o princípio holográfico, compara o surgimento do espaço-tempo a um holograma comum
- assim como padrões ondulados numa superfície plana podem criar sensação de profundidade, padrões de componentes microscópicos do universo podem criar outra dimensão espacial
- se essa nova dimensão estiver curvada, a gravidade surge naturalmente
- Ted Jacobson, da University of Maryland, introduziu a gravidade entrópica em um artigo de 1995
- Enquanto pesquisas anteriores extraíam resultados semelhantes ao calor a partir da teoria de Einstein, Jacobson fez o inverso: assumiu propriedades térmicas do espaço-tempo e derivou as equações da relatividade geral
- Para Carney, esse resultado é um sinal de que o paralelismo entre gravidade e calor é importante
O primeiro modelo da equipe de Carney: rede de qubits
- Carney, Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh e Jacob Taylor propuseram dois modelos para explicar como a atração gravitacional poderia surgir de componentes microscópicos
- No primeiro modelo, o espaço é preenchido por uma rede cristalina de partículas quânticas, ou qubits (qubit)
- cada qubit tem uma direção, como a agulha de uma bússola
- quando um objeto com massa está próximo, os qubits ao redor se alinham com esse objeto
- Objetos massivos criam uma região de alta ordem em uma rede de qubits que originalmente teria direções aleatórias
- Quando duas massas são colocadas na rede, surgem duas regiões de alta ordem, e alta ordem corresponde a baixa entropia
- Como o sistema tende a maximizar a entropia, surge um efeito que empurra as duas massas para mais perto uma da outra, reduzindo o tamanho das regiões ordenadas
- Na aparência, parece que as duas massas se atraem pela gravidade, mas a ação real é desempenhada pelos qubits
- Essa atração aparente diminui de forma inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as duas massas, como na lei de Newton
O segundo modelo: qubits sem posição definida
- O segundo modelo remove a rede
- Os objetos com massa continuam existindo no espaço e sofrendo a ação dos qubits, mas os qubits não ocupam posições específicas e podem estar muito distantes
- Essa característica é um recurso para capturar a não localidade da gravidade newtoniana
- a propriedade segundo a qual todos os corpos do universo exercem algum efeito sobre todos os outros
- Cada qubit pode armazenar energia, e a capacidade de armazenamento varia de acordo com a distância entre as massas
- quando as massas estão distantes, a capacidade de energia de um único qubit aumenta, de modo que a energia total pode caber em poucos qubits
- quando as massas se aproximam, a capacidade de energia de cada qubit diminui, então a energia total precisa se espalhar por mais qubits
- Como a energia distribuída por mais qubits corresponde a maior entropia, o sistema empurra as massas uma para a outra, em concordância com a gravidade newtoniana
Limites do modelo e ceticismo
- Carney alerta que ambos os modelos são ad hoc
- não há evidência independente da existência desses qubits
- foi necessário ajustar finamente a intensidade e a direção da força exercida pelos qubits
- não está claro se isso representa avanço em relação à visão de que a gravidade é fundamental
- O que esses modelos reproduzem é apenas a lei da gravidade de Newton, e não toda a teoria de Einstein, que identifica a gravidade com a curvatura do espaço-tempo
- Para Carney, esses modelos não são representações realistas de como o universo realmente funciona, mas estão mais próximos de uma prova de princípio de que comportamento coletivo pode explicar a atração gravitacional
- Mark Van Raamsdonk, da University of British Columbia, duvida até mesmo de que esses modelos sejam uma prova de princípio
- pesquisador de holografia, ele considera que os novos modelos entrópicos não têm propriedades especiais da gravidade, como o fato de que não sentimos a gravidade durante a queda livre
- Para Ramy Brustein, da Ben-Gurion University, o verdadeiro desafio da física gravitacional está em regiões de acoplamento forte e campo forte, como os buracos negros, e esse modelo entrópico não consegue dizer nada sobre isso
Sinais que podem ser encontrados em campos gravitacionais fracos
- Defensores da gravidade entrópica consideram que físicos não deveriam ter confiança excessiva em como a gravidade funciona em regimes fracos
- Se a gravidade for um efeito coletivo de qubits, então a lei de força de Newton corresponde a uma média estatística
- Os efeitos instantâneos podem oscilar em torno dessa média
- Erik Verlinde, da University of Amsterdam, acredita que essas flutuações podem se tornar observáveis, por isso é preciso ir a campos muito fracos
- Verlinde defendeu a gravidade entrópica em um artigo de 2010 e continuou desenvolvendo a ideia desde então
Caminho para experimentos com superposição quântica e colapso
- Carney considera que a principal vantagem do novo modelo está em levantar questões conceituais sobre a gravidade e abrir novos caminhos experimentais
- Se um objeto massivo estiver em um estado de superposição quântica (superposition) em duas posições, surge a pergunta: seu campo gravitacional também ficaria em superposição, puxando um corpo em queda em duas direções?
- O novo modelo de gravidade entrópica prevê que os qubits atuem sobre objetos massivos, tirando-os de estados de superposição como o gato de Schrödinger
- Esse cenário se conecta ao problema do colapso da função de onda
- o problema do colapso da função de onda pergunta por que, ao medir um sistema quântico em superposição, vários estados possíveis se tornam um único estado definido
- Alguns físicos já propuseram que o colapso ocorre por causa de uma aleatoriedade intrínseca do universo
- Esses modelos de colapso diferem nos detalhes do modelo de Carney, mas podem produzir resultados experimentais semelhantes
- eles preveem que sistemas quânticos isolados acabam colapsando sozinhos, mesmo sem medição ou influência externa
- Angelo Bassi, da University of Trieste, considera que o mesmo aparato experimental poderia, em princípio, ser usado para testar os dois tipos de modelo
- Bassi vem liderando esse tipo de experimento, e alguns modelos de colapso já foram descartados
Implicações de longo prazo
- Van Raamsdonk continua cético, mas considera que vale a pena explorar outros mecanismos, já que não está estabelecido que a gravidade real do nosso universo venha da holografia
- Se essa hipótese de longo prazo estiver correta, a gravidade pode ser menos uma lei e mais uma tendência estatística
1 comentários
Comentários do Hacker News
Gravidade entrópica me parece semelhante ao “efeito castanha-do-pará” [0] [1]. É o fenômeno em que, ao sacudir um recipiente com nozes de tamanhos diferentes, as maiores sobem para o topo
Pelo que entendo, objetos maiores têm mais massa e por isso se movem mais lentamente quando sacudidos, e como a castanha-do-pará se move menos que o amendoim, surgem espaços vazios abaixo dela por causa da gravidade, que acabam sendo preenchidos pelos amendoins
Na gravidade entrópica, parece que existe algo com uma densidade fundamental, como partículas ou partículas subatômicas, atingindo os objetos aleatoriamente de todas as direções. Quando dois objetos de grande massa se aproximam, a densidade na região entre eles diminui, então as partículas colidem com menos frequência nessa região de densidade menor, fazendo com que eles se atraiam. É como se projetassem uma espécie de “sombra”
Não sou físico, mas, quando pesquisei isso no passado, lembro que havia uma suposição sobre a densidade das partículas que “atingem” os objetos massivos, e que era difícil justificar essa densidade. Se alguém souber mais, seria ótimo corrigir ou explicar
Além disso, o efeito castanha-do-pará realmente acontece muito bem na prática. Se quiser pegar as passas, sacuda o raisin bran; se quiser encontrar o presente que o gato deixou, sacuda a areia do gato. Funciona surpreendentemente bem
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
[1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM
Vários mecanismos para explicar a gravidade já foram propostos, e um deles assume que há muitas partículas no universo movendo-se muito rapidamente em todas as direções, sendo ligeiramente absorvidas ao atravessar a matéria. Se o Sol estiver próximo, parte das partículas que vêm até a Terra passando pelo Sol será absorvida, então chegarão menos partículas desse lado do que do lado oposto, e a Terra receberá uma força resultante em direção ao Sol. A lei do inverso do quadrado da distância também surge facilmente
Mas, quando a Terra orbita o Sol, ela deveria colidir mais com as partículas que vêm na direção do seu movimento, sofrendo resistência ao movimento e desacelerando em sua órbita. Fazendo as contas, esse mecanismo não permitiria que a Terra permanecesse em órbita por tempo suficiente, então ele não funciona. A ideia é que ainda não foi inventado um dispositivo que “explique” a gravidade sem prever outros fenômenos que não existem
Em baixas velocidades, surge algo semelhante à gravidade newtoniana, mas em altas velocidades aparece um padrão parecido com a gravidade MOND, em que surgem aglomerados de galáxias e grandes vazios, e a matéria escura parece desnecessária
https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
“Esticar um elástico é uma expansão isobárica (A → B) que aumenta a energia, mas diminui a entropia”
Na gravidade entrópica de Verlinde, existe uma interação gravitacional que faz a conexão entre duas massas voltar a um estado “menos esticado”. Quanto mais próximos os dois objetos estão, maior é a entropia do que quando estão distantes, e surge uma espécie de tensão que puxa os objetos separados um em direção ao outro
Na abordagem de Carney e outros, há uma “pressão mediada por um sistema microscópico impulsionado por um extremo de energia livre”, o que significa que a entropia é menor quando os objetos estão distantes do que quando estão próximos. Essa entropia vem de um gás, e a pressão é menor quando os objetos estão próximos e maior quando estão distantes. Pressão é o oposto de tensão, então, em linhas gerais, ambas as teorias de gravidade entrópica têm uma estrutura em que os objetos acabam se movendo juntos por uma força entrópica, uma lei universal comparável à lei de Newton
Essa força entrópica não é fundamental; ela surge do comportamento estatístico de graus de liberdade quânticos ou microscópicos em um cenário holográfico, isto é, em uma configuração com mais dimensões do que 3+1. É uma ideia bem ao estilo da teoria das cordas
No entanto, é muito difícil fazer isso funcionar se a força entrópica não for estritamente radial, e também é difícil ver como a relatividade geral já muito bem testada poderia emergir disso
A explicação usual é que a agitação cria temporariamente espaços vazios, e objetos menores conseguem cair por frestas menores, então têm maior probabilidade de entrar nesses espaços
Gravidade entrópica é um quadro atraente. Imagino que muitos físicos queiram acreditar que a teoria de tudo, ainda desconhecida, seja microscópica e quântica, e que a gravidade, global e extremamente fraca, surja dessa teoria como uma espécie de erro de contabilidade
Mas essas teorias embutem tantas suposições potenciais que, quando alguém diz “vejam, aqui estão as equações de campo de Einstein”, fica difícil acreditar facilmente
Só acho difícil concordar que a gravidade surja nessa teoria como um erro de contabilidade. Provavelmente ela será mais alguma família estranha de bósons, como as outras forças
O artigo também diz que a gravidade entrópica é uma visão bastante minoritária, mas que não desaparece, e que até seus críticos hesitam em descartá-la completamente
Como físico experimental, tento não me empolgar até que uma nova teoria consiga distinguir essa questão por meio de fenômenos observáveis
Se uma teoria produz 10 previsões e todas já são coisas que conhecemos, isso parece overfitting
Não entendo
Para mim, entropia não é uma entidade física, mas uma medida do nosso conhecimento incompleto sobre um sistema. Como só conseguimos medir propriedades macroscópicas da matéria, vejo isso como um número criado para quantificar o quanto essas propriedades macroscópicas descrevem de forma incompleta o verdadeiro estado microscópico do sistema. Se fosse possível ampliar a observação até o nível microscópico, parece que a entropia perderia o sentido
Por isso, não consigo entender como a gravidade ou outras interações físicas fundamentais poderiam surgir da entropia. Acho que é apenas um conceito criado por humanos
A entropia física governa processos físicos reais. Um exemplo simples é por que o gelo derrete em uma sala quente, e um exemplo mais sutil é por que fios se embolam com o passar do tempo
A medida da entropia pode ser vista como uma forma de resumir macroscopicamente o estado de sistemas como uma sala quente com gelo ou cabos emaranhados, mas isso não é a mesma coisa que o próprio fenômeno que ela descreve
A entropia no sentido de Boltzmann torna a segunda lei bastante intuitiva. Há muito mais maneiras de um sistema estar em um estado desordenado do que em um estado ordenado, então com o passar do tempo ele tende a ir para estados de entropia mais alta, e por isso o gelo derrete em uma sala quente
Ainda assim, forças entrópicas têm uma “realidade” clara. Elas podem de fato ser medidas em laboratório. Se isso não parece convincente, vale ver https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force e, em especial, https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain, que é o exemplo clássico usado quando esse tema é ensinado pela primeira vez
Nessa perspectiva, a entropia não é apenas algo “inventado”, mas uma forma eficaz de explicar fenômenos observados. Por isso, mesmo que não seja uma lei fundamental, ela é útil como lei física efetiva. De fato, a própria página da Wikipédia chama a força entrópica de “fenômeno emergente”
Portanto, qualquer pessoa razoável que acredite em gravidade entrópica inevitavelmente terá de chamar a gravidade de fenômeno emergente. Também terá de concluir que é necessária uma nova teoria fundamental da gravidade que “recupere” a interpretação probabilística da entropia
O motivo de a gravidade entrópica ser interessante e exótica é que muitas outras buscas por teorias fundamentais partem de algo como quantizar a mecânica clássica para chegar à mecânica quântica, isto é, quase quantizar diretamente a gravidade. A gravidade entrópica considera essa abordagem equivocada, como tentar quantizar diretamente a lei dos gases ideais
[0] Mesmo na física, não existe entropia sem distribuição de probabilidade. Quem diz o contrário provavelmente estudou apenas termodinâmica e não mecânica estatística, ficando preso ao século XIX
Também não há motivo para trazer o nosso conhecimento para a discussão. Entropia é uma medida do número de microestados possíveis para um dado sistema, e esse número existe independentemente de nós
Há muito tempo acredito na gravidade entrópica, e vejo isso como consequência da espuma quântica. Em uma região do espaço sem nada, a espuma quântica desse espaço seria completamente aleatória e uniforme
Quando há massa e energia, o estado do espaço fica enviesado e menos aleatório. Isso cria um gradiente de entropia. Indo além, isso explicaria não só a gravidade, mas também por que o espaço entre galáxias parece exibir energia negativa e expansão do espaço
Fico feliz em ver mais pesquisa sobre gravidade entrópica, e acho que é uma explicação mais razoável do que a maioria das outras teorias da gravidade de que já ouvi falar
Todo mundo sabe que a vida na Terra obtém energia do Sol
Mas essa é uma explicação elegante para crianças; na prática, a vida recebe do Sol fótons de baixa entropia, realiza trabalho e depois emite calor residual infravermelho de alta entropia. A energia é conservada e a entropia aumenta
Mas de onde o Sol obteve, inicialmente, esses fótons de baixa entropia? Da gravidade. Um espaço vazio e uniforme tem baixa entropia, e, quando o Sol se formou, ele a “retirou” dali
Não sei por que isso está recebendo downvotes, mas essa é a explicação apresentada pelo laureado com o Nobel de Física Roger Penrose: https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6
“A energia solar que chega à Terra é de baixa entropia porque toda ela vem de uma região do céu com diâmetro angular de 0,5 grau”
Em outra resposta, dizia-se também: “A luz solar tem baixa entropia porque o Sol é muito quente. Entropia é essencialmente uma medida de quão espalhada está a energia. Se compararmos dois sistemas com a mesma energia térmica, aquele em que a energia está mais concentrada, ou seja, com menor entropia, é o mais quente”
https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
Provavelmente as duas explicações estão corretas até certo ponto. Ainda assim, não entendo bem a hipótese de que o Sol “retirou” um espaço vazio e de baixa entropia. O Sol não se formou a partir de poeira e gás produzidos pela explosão de estrelas anteriores? Isso parece quase o oposto de baixa entropia
O que vemos como estruturas de “baixa entropia”, como as estrelas, talvez na verdade sejam estruturas uniformes de alta entropia em uma escala maior, e pareçam mais estruturadas apenas porque as observamos de perto
Os fótons vindos do Sol são quentes, e o espaço ao redor do Sol é frio, por isso esse sistema tem baixa entropia
Se o espaço ao redor do Sol fosse tão quente quanto os fótons, a entropia seria alta
A ideia de que a gravidade pode ser um resultado emergente de como a informação opera no universo é interessante. Ainda assim, parece que esse modelo ainda não tem evidências claras de que prevê algo diferente da relatividade geral
Por enquanto, é uma daquelas teorias divertidas de explorar, mas difíceis de aceitar por completo
A definição estatístico-mecânica de entropia depende do número de arranjos possíveis de partículas em um sistema. Em um sistema fechado, a entropia tende ao equilíbrio, e isso tem sido descrito de forma sensacionalista como a “morte térmica do universo”
Mas sabemos que o nosso universo está se expandindo, então o número de arranjos possíveis também está aumentando e, portanto, a entropia talvez nunca chegue ao equilíbrio. Se o universo se expandir mais rápido do que a velocidade com que seus componentes se redistribuem, a entropia pode até diminuir
Levando isso em conta, uma teoria que inclua a entropia como componente da gravidade sugeriria a conclusão de que a gravidade muda com o passar do tempo
Esse efeito lembra a interação hidrofóbica usada ao modelar sistemas biológicos, como a tendência de resíduos hidrofóbicos ficarem no interior de proteínas
Esse texto que li há alguns anos era realmente muito bom. O domínio parece não estar mais ativo, mas o conteúdo é uma boa introdução e a maioria dos links externos ainda funciona
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