El trabajo reciente de Verlinde surgió de la idea de que la gravedad es un fenómeno emergente y entrópico ; lo que significa, básicamente, que la gravedad es la consecuencia inevitable de la tendencia de alguna teoría microscópica (desconocida) hacia el aumento de la entropía . De esta manera, aquí se piensa que la gravedad es básicamente una “fuerza entrópica”, más bien como la presión de un gas ideal.
Los argumentos de Verlinde para la gravedad entrópica siguen de forma algo natural al cambiar los argumentos que normalmente conducen a la termodinámica del agujero negro (más notablemente que el agujero negro tiene una entropía proporcional al área (¡y no al volumen!) De su horizonte de eventos) y el principio holográfico , en reversa. Lo que resulta es que uno puede derivar la tercera ley de movimiento de Newton (la ley de la inercia), la ley de fuerza gravitacional de Newton e incluso las ecuaciones completas de campo de la relatividad general de Einstein a partir de los primeros principios, en un contexto donde cada uno aparece a partir de una descripción puramente termodinámica. . Sin embargo, la pregunta sigue siendo: ¿cuál es exactamente la teoría microscópica que da lugar a una descripción de gravedad emergente? ¿Podría ser la teoría de cuerdas, por ejemplo? Actualmente, esto no se conoce, pero según una charla bastante reciente de Verlinde, continuando con este tipo de ideas, parece que está siguiendo una línea de pensamiento que parece sugerir que la teoría de cuerdas, o algo así, podría darse cuenta de esto.
El artículo más reciente de Verlinde es muy emocionante por al menos un par de razones, pero primero déjenme dar un poco de historia.
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Cuando observamos las leyes de la física a gran escala, todo se describe extremadamente bien por la relatividad general (GR). Sin embargo, cuando consideramos escalas que son comparables al tamaño de las galaxias, sucede algo extraño. En particular, GR (bueno, de hecho, la teoría de Newton también es perfectamente buena aquí) te dice que cuanto más se asoma desde el centro de una galaxia, las cosas más lentas deberían girar alrededor del centro galáctico. Lo que realmente sucede es que, un poco más allá, las cosas se comportan como esperamos, pero eventualmente encontramos que las velocidades de las cosas que orbitan la galaxia a distancias mayores que la escala de Hubble de repente permanecen más o menos constantes, a medida que avanzamos más y más. En consecuencia, esto no está de acuerdo con lo que dice GR. Ingenuamente, parece que GR podría ser incorrecto a gran escala, pero no hemos tenido ningún principio rector para sugerir cuáles deberían ser esas nuevas físicas, por lo que la suposición predominante es que GR no está realmente mal, pero de lo que quizás estamos equivocados es ¡que hay mucha más materia por ahí, extendida por las galaxias, de lo que podemos ver! La idea es básicamente la siguiente: para explicar esta anomalía, podemos suponer que hay una gran cantidad de materia invisible, que existe en una especie de halo, concentrada hacia los bordes de las galaxias. Esto se conoce como la hipótesis de la materia oscura . Tenga en cuenta que todavía no he mencionado partículas: en su forma más pura, esta hipótesis no dice que la materia oscura esté hecha de partículas, pero esto es lo que comúnmente se supone por la muy buena razón por la cual se sabe que la teoría de partículas funciona muy bien en Este tipo de régimen de escalas y energías. Por esta razón, muchos físicos creen que la materia oscura es un nuevo tipo de partícula que aún no hemos visto, pero que es lo suficientemente masiva como para producir la anomalía que vemos. Actualmente, la caza está en marcha para identificar la partícula de materia oscura.
Ahora aparece Verlinde y básicamente ofrece la idea de que la materia oscura es una ilusión. La materia oscura es, en cambio, solo una consecuencia de cómo se comporta la gravedad , o en particular, cómo emerge la gravedad a grandes escalas. Su razonamiento se basa centralmente en su suposición de que la gravedad es un fenómeno emergente y entrópico. En otras palabras, contrariamente a la lógica que normalmente conduce a la hipótesis de la materia oscura, Verlinde afirma que es la gravedad la que es nuestra comprensión de la gravedad a gran escala la que realmente tiene la culpa.
Nuestro propio universo en expansión se puede describir razonablemente bien en términos de un espacio-tiempo abstracto conocido como espacio de-Sitter, o espacio dS para abreviar. Verlinde argumenta que la gravedad emergente en el espacio dS difiere de manera esencial de la gravedad de Einstein solo en escalas muy grandes.
En la historia “habitual” de la gravedad emergente (refiriéndose, por ejemplo, al artículo de Verlinde de 2010 o al artículo de Ted Jaconbson de 1995), la aparición de la gravedad de Einstein o Newton depende de la suposición de que la cantidad de información en cualquier región del espacio-tiempo está codificada en su Perímetro. En otras palabras, esto se deduce básicamente de asumir el principio holográfico, como mencioné brevemente anteriormente. Verlinde ahora dice que esta misma lógica, aplicada al espacio dS (que, recuerda, está modelando la forma de nuestro universo) se comporta de manera muy diferente a grandes escalas.
En el espacio dS, argumenta, la cantidad de información en todo el universo se distribuye uniformemente en todo el universo, lo que significa que toda la información se captura en el volumen y no en el área del universo (formalmente, el área de la llamada cosmología horizonte , más allá del cual no podemos ver simplemente debido al hecho de que el universo se está expandiendo). Luego dice que si agrega materia al espacio dS, reduce el contenido de entropía local; básicamente tomas parte de la información que se extiende por el universo y la eliminas alrededor de la masa agregada. Cuando considero una región lo suficientemente pequeña alrededor de la masa agregada, toda la información sobre ella se codifica en el límite; en otras palabras, se aplica el principio holográfico, y la gravedad ordinaria emerge en estas escalas. Sin embargo, cuando considero regiones cada vez más grandes que rodean una masa adicional en el espacio dS, no puedo ignorar la información que se extiende por todo el universo.
Permítanme ofrecer una analogía: supongamos que hay una enorme sala repleta de personas (todas llamadas Bob) que tienen una conversación muy tranquila sobre los gatos. ¡Entonces supongamos que dejo entrar a alguien (Alice), teniendo una conversación muy ruidosa sobre perros! Si rodeo a Alice en una cúpula, entonces si la cúpula es pequeña, podría escuchar la conversación de Alice bastante bien, hasta el borde. ¡Pero si el domo es muy grande y estoy al borde, tarde o temprano la conversación de Alice comenzará a verse abrumada por los Bobs! Si el domo es extremadamente grande, entonces en el borde, todo lo que podré escuchar es la conversación de los Bobs sobre los gatos; ¡Alice estará totalmente ahogada!
Ok, pero ¿por qué me molesté con esa tonta analogía? Bueno, Verlinde básicamente está diciendo que la gravedad emergente en el espacio dS es como la conversación de Bobs, y agregar a Alice es como agregar masa, lo que ahoga la conversación de Bob a su alrededor hasta cierta escala. Cuando estoy más lejos que esto, no puedo decir lo que dice Alice; No puedo reconstruir la información sobre la masa añadida desde una distancia suficientemente grande. Esto básicamente significa que el principio holográfico se viola en escalas lo suficientemente grandes. ¡Esto lleva a una modificación de las leyes de gravedad emergentes a gran escala, que tiene el potencial de ofrecer una explicación radicalmente nueva del origen de los efectos normalmente atribuidos a la materia oscura!
Entonces, ¿qué puede hacer la teoría de Verlinde? Puede reproducir la llamada relación de escala Baryonic Tully – Fischer . Esta relación básicamente te dice la proporción de la materia bariónica “ordinaria” (nosotros, los gatos, la Tierra, las estrellas, las galaxias, etc.) a la cantidad de materia oscura en una galaxia. Por supuesto, Verlinde no dice que su modelo describa la materia oscura, pero puede obtener el mismo resultado que se sabe que tiene cientos de galaxias, si asumimos que hay materia oscura. Su propuesta también puede producir la anomalía de rotación galáctica observada descrita anteriormente. Uno puede hacer comparaciones entre este enfoque y lo que se llama Dinámica Modificada de Netwonian (MOND) , donde imaginamos eludir la ley de fuerza gravitacional de Newton para tratar de describir la anomalía de rotación galáctica. Esto es bastante ad hoc y se supone que proporciona un ajuste empírico a lo que vemos, y funciona bastante bien para las galaxias. La propuesta de Verlinde proporciona la primera (?) Justificación para este enfoque empírico , ¡que es algo emocionante!
Pero, ¿qué no puede hacer la teoría de Verlinde? Bueno, por un lado , no sabemos nada sobre la descripción subyacente de las propuestas de Verlinde , como en la naturaleza del modelo microscópico que debería dar los resultados de Verlinde en el límite donde consideramos un número muy grande de estos grados de libertad microscópicos. Recuerde que en este contexto se supone que la gravedad es un fenómeno entrópico y emergente, por lo que si tenemos algún modelo microscópico, debería suceder que la gravedad emerge de la tendencia de este sistema a aumentar la entropía. Queda por ver qué es eso, ¡pero creo que Verlinde puede tener una propuesta “fibrosa” para lo que podría ser, que se lanzará en algún momento en el futuro cercano! La teoría de Verlinde tampoco puede aplicarse para estudiar los cúmulos galácticos, sobre los cuales la hipótesis de la materia oscura de partículas ha tenido un gran éxito empírico. La teoría de Verlinde tampoco puede adaptarse actualmente para comprender el origen de las fluctuaciones dentro del Fondo de microondas cósmico (CMB) , el llamado “eco del big bang”. Por este tipo de razones, los que están en el “campo de la materia oscura” creen que la propuesta de Verlinde no es actualmente una gran amenaza para su idea, pero existe una posibilidad emocionante (en mi opinión) de tener esta perspectiva completamente anulada por estas nuevas ideas. de un intento de tomar en serio la profunda y aparente conexión entre la física del agujero negro, el principio holográfico y la termodinámica.
