- 近年、理論物理学者たちは、重力を微視的な粒子のランダムな相互作用、すなわちエントロピー増大の結果とみなすモデルを提示している
- このモデルはエントロピーと重力の関係に焦点を当て、既存の重力理論に対する代替的アプローチを探っている
- エントロピー重力モデルは検証可能な実験的予測を提示し、実際の重力が基本的な力ではなく集団的現象である可能性を示唆する
- しかしこのモデルはニュートンの万有引力の法則しか説明できず、一般相対性理論における時空の曲率のような深い性質までは捉えられていない
- 新しい理論は量子重ね合わせ、波動関数の収縮などとも結びつき、量子重力理論や重力の本質の探究に手がかりを与える
ニュートン、アインシュタイン、そして重力の再解釈
- アイザック・ニュートンは重力の本質について混乱を抱いており、当時は多くの学者が重力を実際には「引く力」ではなく「押す力」として解釈しようと試みていた
- アルベルト・アインシュタインは重力を空間と時間の歪みとして説明したが、これもまた完全な説明ではなかった
- 重力を微視的な粒子の集団効果、すなわち「スウォーム行動」から現れる現象とみなす解釈は、今なお多くの物理学者の関心を集めている
エントロピー重力理論の現代的復活
- 最近、Daniel Carneyらの理論物理学者チームは、宇宙には目に見えない熱的システムが存在し、それによって私たちが知るあらゆる重力現象を説明できるというモデルを提示した
- このアプローチは「エントロピー重力」と呼ばれ、重力を熱(heat)の物理学として捉える
- エントロピー重力は、ボイラー、自動車エンジン、冷蔵庫などで見られるように、粒子のランダムな運動と混合によってエントロピーが増大するのと同じ原理で重力が生まれると説明する
一般相対性理論とエントロピーのつながり
- 一般相対性理論は美しく正確な予測を与える一方で、ブラックホール内部のような特異点では説明力を失うという限界を持つ
- 一般相対性理論では、ブラックホールは増えることはあっても減ることはなく、吸収するだけで放出しないなど、エントロピー的な現象に似た振る舞いを示す
- 量子力学で説明するとブラックホールでは熱的放出（ホーキング放射）が起こり、ブラックホールまたは時空そのものが実際には微視的な粒子や構成要素から成っている可能性を示唆する
ホログラフィー原理とJacobsonのアプローチ
- ホログラフィー原理は、微視的な粒子が作るパターンによって追加の次元が生まれ、重力が自然に現れることを説明する
- Ted Jacobsonは、時空が独自の熱的性質を持つと仮定し、そこから一般相対性理論の方程式を導出した
- このアプローチは重力と熱の深い関連を強調している
Carneyらの具体的モデル
- 第1のモデル: 空間は量子粒子（キュービット）の結晶格子でできており、質量を持つ物体が近傍のキュービットを再配置して秩序ある領域（エントロピー低下）を形成する
- 2つの質量が近づくほど、系全体のエントロピーを高めるために質量同士が引き合う効果が生じる
- この効果はニュートンの万有引力の法則と同様に、距離に応じて弱まる
- 第2のモデル: キュービットは特定の位置に縛られず、非局所的に質量へ影響を与える
- 2つの質量の距離が変化すると各キュービットが蓄えられるエネルギーも変化し、質量が近いほど系のエントロピーが増えるようになる
強みと限界
- どちらのモデルにも実際のキュービットの存在を示す独立した証拠はなく、力の強さや向きの微調整が必要になる
- 一般相対性理論のように時空の曲率や、自由落下中に重力を感じないことといった重力の中核的特徴を説明できない
- ニュートン的な弱重力領域しか説明できず、ブラックホールなどの強重力領域に対する説明力が不足している
- モデルは原理実証レベルにとどまり、実際の宇宙をモデル化するには限界がある
実験的検証と意味
- この理論の最大の利点は、検証可能な予測を提示する点にある
- たとえば、質量体が2つの位置に同時に存在する量子重ね合わせ状態にあるとき、このモデルはキュービットがそれを収縮させると予測する
- これは波動関数の収縮現象と結びついており、現在そのような収縮モデルを実験的に検証しようとする試みが進んでいる
- 実際の重力がホログラフィックに生じているかどうかはまだ確定していないため、エントロピー的起源が存在する可能性も研究する価値がある
結論と示唆
- エントロピー重力理論は依然として少数説ではあるものの、重力の本質的理解に向けて新たな実験の方向性と問いを提供している
- この理論が正しければ、重力はもはや法則ではなく、統計的傾向として再解釈される必要がある
1件のコメント
Hacker News のコメント
エントロピー重力は「ブラジルナッツ効果」に似ていると説明したい
ブラジルナッツ効果とは、ガラス容器にさまざまな大きさのナッツを入れて振ると、大きなナッツ（ブラジルナッツ）が上に上がってくる現象
この現象は、大きなナッツのほうが重いため振られたときにゆっくり動き、小さなピーナッツが下の空いた空間を埋める結果として解釈できる
エントロピー重力理論では、あらゆる方向から粒子が対象を強く叩く基本的な密度があると考える
2つの大きな質量体が近づくと、その間の粒子密度が下がり、互いを引き寄せる効果のように見える
粒子が影を落とすような効果を生むという説明
ただし、粒子が大きな物体と相互作用する密度に関する仮定は、説得力をもって成立させるのが難しいと思う
もっと詳しい人が間違いを指摘してくれるとありがたい
ブラジルナッツ効果は実際に観測できる現象
レーズンを取り出したければシリアルを振ればいいし、猫砂でも振ると“贈り物”が上に上がってくる
以下のリンクで関連する Wikipedia の granular convection の説明 と YouTube 動画 を参照できる
私も物理学者ではないが、上の説明に関連してファインマン講義の一節を思い出した
ファインマン講義の原文リンク
要点は、重力を説明しようとするさまざまな仮説の1つについて述べていて、粒子があらゆる方向に非常に速く動き、ごくわずかだけ吸収されると仮定する
これらの粒子が地球に衝突するが、どこでも一様なら平衡
しかし太陽が近くにあると、太陽から来る粒子の一部が吸収され、その方向から incoming する粒子が減るという論理
そのため地球が最終的に太陽のほうへ引かれるように見えるが、実際にはこの理論は成り立たない
もしこれが正しければ、地球が太陽の周りを公転するとき前方からより多くの粒子を受けるため抵抗を受け、やがて止まってしまう
このメカニズムでは、実際の宇宙で地球のように長期間軌道を保つことはできない
つまり、多くの人がこの種の重力機構を思いつくが、必ず誤った予測をしてしまうため成立しない、という話
この YouTube 動画 のほうが粒状体物理をうまく説明している
振動の速さ（振幅）が、粒子が予想外の配置になる結果を示している
低い振動ではニュートン重力に似た振る舞いをするが、より速い振動では MOND 重力に似た現象を示す
銀河や大規模ボイドが生じることもあり、理論上はダークマターなしでも説明できる
エントロピー的な解釈では、X 個の確率的に等価な状態があり、ある条件を最も多く満たす状態が多いと、次の状態がそちらへ進む可能性が高いという理屈になる
例として、N 枚のコインを投げると可能な状態は 2^N 個
全部が表のケースは1つしかない
半分が表、半分が裏の組み合わせははるかに多いので、N が大きくなるほど平均的には半分が表という「巨視的」状態が圧倒的に多くなる
エントロピーとは、こうした「巨視的にあり得る状態が多い」側へシステムが自然に移ろうとする傾向のことだという話
「大きな物体は質量が大きいので振られたときにゆっくり動く」という説明には疑問がある
もし大きな物体がより遅く動くなら、容器の加速基準で見ればむしろ速く動くと考えられないだろうか？
日常的な説明としては、振ると一時的に空間ができ、その小さな空間をより小さい物体が埋めて下へ落ちる確率が高いために起こる現象だと理解している
より質量の大きい粒子は実際にはむしろ小さいのではないか（de Broglie 波長の基準では）。だとすると「影」ももっと小さく落ちるのではないかと気になる
あるいは別の相互作用では粒子の「大きさ」と質量の関係が異なり、たとえば重力では粒子の大きさが質量に比例するのかなど、混乱している
そして、QM（量子力学）入門で wavefunction が「光子」で測定したときの位置確率振幅を説明するのなら、もし Z ボソンのような別の相互作用で測定した場合、粒子の「位置」の解釈が完全に変わるのかもさらに気になる
統計力学におけるエントロピーの定義は、系内の粒子の可能な配列数によるもの
閉じた系ではエントロピーは「熱的死（heat death）」と劇的に表現される平衡状態へ収束する
しかし宇宙は膨張しているので、可能な配列数（状態数）も増え続ける
もし宇宙膨張の速度が構成要素の再分布より速ければ、エントロピーが減ることもありうる
この観点では、エントロピーを重力の中心要素として組み込んだ理論は、時間とともに重力が変化すると予測しうる
エントロピー重力は魅力的なフレームワークだと思う
多くの物理学者は、「まだ見つかっていない万物の理論」は微視的かつ量子的であり、非常に弱い重力がまるで会計上の誤差のように理論から導かれてほしいと考えている
しかしこの種の理論は基本的に仮定が多すぎるので、「ほら、アインシュタイン方程式が出た」と言われても簡単には信じがたい
Jacobson は熱力学と特殊相対論を組み合わせると一般相対性理論が導かれることを示したが、この2条件自体があまりに一般的なので、さらに何を求めるべきか悩ましい
個人的に問題だと思う仮定が何なのか気になる
記事で述べられているレベルでは、まだアインシュタイン方程式にまでは至っておらず、古典的なニュートン重力程度だと理解している
「まだ見つかっていない万物の理論は微視的で量子的な形になるだろう」という主張には同意する
「重力が会計上の誤差のように理論から生じる」という点については、むしろ別の奇妙なボソンのファミリー（粒子形態）なのではと思う
記事中の内容:
「エントロピー重力はまだ少数派の意見だが、簡単に消える考え方ではなく、批判者も完全には無視できない視点である」
私は実験物理学者なので、新しい理論に興奮する前に、必ず観測可能な現象の予測にまで到達しているか確認する必要がある
だから Wolfram のような理論にも懐疑的
数多くの既存理論（特殊相対論、一部の量子力学、重力など）を説明できても、新しい検証可能な予測や基礎がなければ「オーバーフィット」だと思う
理論が10個の予測をすべて現実と一致させても、それがすべて既知のことなら、新しさはあまり期待できない
こうした emergent（創発的）理論はニュートン重力や一般相対論を導くが、実際に実験的に何をテストできるのかがはっきりしない
もし MOND（修正ニュートン力学）を別個の MOND 場の導入なしに予測するなら、そのとき初めて MOND の検証レベルで反証可能だと言える
ときどき考えるのだが、もし私たちの物理学がブラックホールの存在そのものを許していなかったら、理論をどうストレステストしていただろうかと気になる
ブラックホールは宇宙論における「標準光源」のように、理論の進歩に重要な役割を果たしていると思う
現実的には、実用性が証明されるまでは楽しい数学の問題を解く時間だという認識が必要
2つのモデルのうち「最小記述長（MDL）」が短いモデルのほうが、一般化に強い確率が高いと主張したい
私は磁気（magnetism）が重力に近いと思っている
何年もそう主張していて、ほとんど整列していない磁場が合わさって、ごくわずかに引き寄せる純粋な効果を生むのではないかと感じている
私にはよく理解できない
私にとってエントロピーとは、実在する物理現象ではなく、ある系について完全には分からないときにその不完全さを数値化したもの
私たちは物質の巨視的特性しか観測しないので、微視的実態を正確に表せない指標を作っている
もし顕微鏡で微視的世界を完全に知ることができるなら、エントロピーという概念そのものが無意味になるはず
だから重力やその他の基本相互作用がエントロピーから生じるという話が理解できない
エントロピーは人間が作った概念だと思う
それは誤解
物理的エントロピーは実際の現象を支配している
たとえば、暖かい部屋で氷が溶ける理由や、ケーブルがだんだん絡まる理由などがある
私たちがエントロピーを測るのは、部屋の中の氷や絡まったケーブルのような巨視的状態を要約しているにすぎない
Boltzmann 的なエントロピーは、「無秩序」に配置される場合の数が圧倒的に多いことから、全体としてエントロピーが上がる傾向を説明してくれる
だから氷は必ず溶ける
エントロピーも温度と同じく物理的な「実体」
温度が単一粒子レベルで存在しないからといって、物理量ではないかのように考える必要はない
エントロピーは特定の系の微視的状態数を測るものであり、この数は観測者とは無関係に存在する
根本的には、エントロピーは系を完全には知りえないという「無知」を数値化したもの
それでも実験室では実際に「エントロピー力（entropic force）」の現象を測定できる
エントロピー力の Wikipedia 説明 と 理想鎖（ideal chain）の例 を参照するとよい
この観点では、エントロピーは単なる人間の計算法ではなく、観測される現象を効果的に説明するため、物理学の実用的ではあるが根本的な法則ではない
エントロピー重力を信じるなら、重力の「創発現象」説を支持することになり、結局はより根本的な重力理論が必要だという結論になる
既存研究は重力をそのまま量子化しようとする傾向があるが、エントロピー重力は、気体の状態方程式を無理に量子化しようとしないのと似た発想
付け加えると、「確率分布のないエントロピー」はありえない。やみくもにエントロピーを「実在量」だと主張するのは19世紀的な見方
コンピュータサイエンスで使うエントロピーと物理学用語のエントロピーは異なる
この違いをうまく説明した 講演 を勧める
私も以前はエントロピーは単に私たちの認識の限界の問題だと思っていたが、今ではハイゼンベルクの不確定性原理によって、微視的状態を完全に知ることは根本的に不可能なのが現実だと信じるようになった
すべての出来事は本質的に不可逆であり、エントロピーは常に増大する
完全性は理論の中でのみ可能なのだ
情報がどう働くかによって重力が創発するという概念は魅力的
ただし、このモデルが一般相対性理論と異なる現象を予測する明確な証拠はまだ見ていない
今のところ、面白く議論できる理論ではあるが、全面的に受け入れるのは難しい
Wolfram のハイパーグラフベースの物理モデルとこうした見方が両立するのか気になる
その枠組みでは、重力はハイパーグラフ進化の統計的挙動から創発する現象であり、重力をシステムの計算複雑性を最小化する傾向から生じる「エントロピー力」として解釈できる可能性がある
Skyrim の emergent fox-treasure gravity に関する興味深い事例の紹介
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要するに、宝のある地域のほうがキツネのランダム移動経路においてより高い「エントロピー」を示すため、キツネが意図せず宝のほうへ行きやすくなる現象だという
エントロピー重力なら、浮力（buoyancy）に似ているのではないかという質問