- Daniel Carneyチームの新モデルは、重力を基本的な力ではなく エントロピー増大 から生じる集団効果として扱い、量子重力の議論に検証可能な余地を開いた点で注目されている
- このアプローチでは、見えない微視的構成要素が質量と ランダムに相互作用 し、その平均的効果が地球の公転のような身近な重力現象として現れると考える
- 2つのモデルは、キュービット格子と位置の定まらないキュービットを通じて、Newton重力の 距離の二乗に反比例 する形を再現するが、Carney自身も現実の宇宙モデルというより原理実証に近いと線を引いている
- 懐疑論者たちは、このモデルが一般相対性理論の 時空の曲率、自由落下の特殊性、ブラックホールのような強重力領域を扱えないと批判している
- 弱重力場で統計的揺らぎや、質量体の量子重ね合わせに伴う 波動関数の崩壊 を探る実験が、この仮説の実質的な試金石になりうる
重力を集団効果として捉えようとする古い試み
- Newtonは1687年に万有引力の法則を発表した後も、2つの物体が遠く離れたままどのように互いを引き寄せるのかについて完全には満足していなかった
- 当時は、重力を引き寄せではなく押し出し効果としてみなす機械論的モデルが提案されていた
- 見えない粒子があらゆる方向から物体にぶつかり、2つの物体の間では粒子の吸収効果によって、正味の力が互いに近づく向きに生じるという仕組みである
- こうした理論は成功せず、Einsteinは重力を 空間と時間のゆがみ として説明する一般相対性理論を提示した
- しかし一般相対性理論も最終理論とみなすのは難しく、重力をより微視的スケールの 集団的振る舞い の結果として理解しようとする試みは続いている
エントロピー重力の基本アイデア
- Carney率いるLawrence Berkeley National Laboratoryのチームは、今年初めの 新論文 で、17世紀的な機械論モデルの現代版に近いアプローチを提案した
- 核心となる仮定は、見えない「ガスや熱的システム」が質量とランダムに相互作用し、平均すると地球が太陽を回るような見慣れた重力現象が現れるというものだ
- このアプローチは エントロピー重力(entropic gravity) と呼ばれ、より深い物理を熱の物理として解釈する
- 蒸気機関、自動車エンジン、冷蔵庫を支配する粒子のランダムな揺らぎと混合
- それに伴うエントロピー、すなわち無秩序の増大
- こうした過程が重力を生むという見方である
- エントロピー重力は数十年にわたり繰り返し登場してきたが、依然として少数派の見解にとどまっている
- 今回のモデルの特徴は、普遍的引力の起源を扱う理論としては珍しく 実験可能性 を示している点にある
一般相対性理論と熱力学の奇妙な接点
- 一般相対性理論は、恒星が崩壊してブラックホールになりうると予測するが、ブラックホール中心では重力が無限に強くなり、理論はその先を語れない
- 開発過程に熱の概念は含まれていなかったにもかかわらず、一般相対性理論には 熱力学に似た性質 がある
- ブラックホールは大きくなるだけで小さくならない
- 飲み込むだけで、再び吐き出さない
- こうした不可逆性は熱の流れに似ている
- 量子力学によってブラックホール周辺のゆがんだ時空を研究すると、ブラックホールは熱い物体のようにエネルギーを放出する
- 熱が粒子のランダム運動だとすれば、こうした熱的効果は、ブラックホールや時空連続体が何らかの粒子や微視的構成要素からできている可能性を示唆する
Jacobsonの1995年論文と既存アプローチ
- 物理学者たちは、ブラックホールから得られた手がかりをもとに、時空がより微視的な構成要素からどのように生まれるのかをさまざまな方法で研究してきた
- 代表的なアプローチである ホログラフィック原理 は、時空の出現を一般的なホログラムにたとえる
- 平らな表面の波模様が奥行きを生み出すように、宇宙の微視的構成要素のパターンが別の空間次元を生み出しうる
- この新しい次元が曲がっていれば、重力は自然に生じる
- University of MarylandのTed Jacobsonは 1995年の論文 でエントロピー重力を導入した
- 既存研究がEinstein理論から熱に似た結果を導いていたのに対し、Jacobsonは逆に 時空の熱的性質 を仮定し、一般相対性理論の方程式を導いた
- Carneyにとってこの結果は、重力と熱のあいだの平行性が重要だというシグナルである
Carneyチームの第1モデル: キュービット格子
- CarneyとManthos Karydas、Thilo Scharnhorst、Roshni Singh、Jacob Taylorは、重力的引力が微視的構成要素からどのように現れうるかを示す2つのモデルを提案した
- 第1のモデルでは、空間は量子粒子、つまり キュービット(qubit) の結晶格子で満たされている
- 各キュービットは方位磁針の針のように向きを持つ
- 質量を持つ物体が近くにあると、周囲のキュービットはその物体に合わせて整列する
- 質量を持つ物体は、もともとランダムな向きにあるキュービット格子の中に 高秩序 の領域を作る
- 2つの質量を格子に入れると、高秩序の領域も2つ生じ、高秩序は低エントロピーに対応する
- 系はエントロピーを最大化しようとする傾向があるため、秩序ある領域をより小さくするべく、2つの質量を互いに近づける方向へ押す効果が生じる
- 見かけ上は2つの質量が重力で互いに引き合っているように見えるが、実際に作用しているのはキュービットである
- この見かけの引力は、Newtonの法則のように2つの質量間の距離の 二乗に反比例 して弱まる
第2モデル: 位置の定まらないキュービット
- 第2のモデルでは格子を取り除く
- 質量を持つ物体は依然として空間内にありキュービットの作用を受けるが、キュービットは特定の位置を占めず、遠く離れていることもありうる
- この特徴は、Newton重力の 非局所性 を取り込むための仕掛けである
- 宇宙のあらゆる物体が、他のあらゆる物体にある程度作用するという性質である
- 各キュービットはエネルギーを蓄えられ、その蓄積量は質量間の距離によって変わる
- 質量どうしが遠く離れていると、1つのキュービットのエネルギー容量が大きくなり、全エネルギーはいくつかのキュービットに収まる
- 質量どうしが近づくと、1つのキュービットのエネルギー容量が小さくなり、全エネルギーはより多くのキュービットに広がらなければならない
- より多くのキュービットにエネルギーが広がった状態は、より高いエントロピーに対応するため、系は質量どうしを押して近づけ、Newton重力と一致する
モデルの限界と懐疑論
- Carneyは、2つのモデルはいずれも アドホック(ad hoc) だと警告する
- このようなキュービットが存在するという独立した証拠はない
- キュービットが及ぼす力の強さや向きを微調整する必要があった
- 重力を基本的なものとみなす見方より優れているのかも不確かである
- これらのモデルが再現しているのはNewtonの重力法則だけであり、重力を時空の曲率と同一視するEinstein理論全体ではない
- Carneyにとってこれらのモデルは、宇宙が実際にそう動くという現実的モデルではなく、集団的振る舞い が重力的引力を説明しうることを示す原理実証に近い
- University of British ColumbiaのMark Van Raamsdonkは、これらのモデルが原理実証ですらあるのか疑っている
- ホログラフィー研究者である彼は、新しいエントロピーモデルには、自由落下中は重力を感じないという事実のような重力の特別な性質が備わっていないとみている
- Ben-Gurion UniversityのRamy Brusteinにとって、重力物理学の真の課題はブラックホールのような 強結合・強場領域 であり、このエントロピーモデルはその領域について何も語れない
弱重力場で探せるシグナル
- エントロピー重力の支持者たちは、弱い重力で重力がどのように働くかについて、物理学者はあまり確信しすぎるべきではないと考えている
- 重力がキュービットの集団効果なら、Newtonの力の法則は 統計的平均 に相当する
- 瞬間瞬間の効果は、その平均の周囲で揺らぎうる
- University of AmsterdamのErik Verlindeは、こうした揺らぎが観測可能になりうるため、非常に弱い場まで行くべきだと考えている
- Verlindeは 2010年の論文 でエントロピー重力を主張し、その後もこのアイデアを発展させてきた
量子重ね合わせと崩壊実験へ向かう流れ
- Carneyは、新モデルの主な利点は、重力に関する概念的な問いを投げかけ、新たな実験の方向性を開くことにあると考えている
- 質量を持つ物体が2つの位置にある 量子重ね合わせ(superposition) 状態なら、その重力場も重ね合わさって、落下する物体を2つの方向へ引っ張るのかという問いが生じる
- 新しいエントロピー重力モデルは、キュービットが質量を持つ物体に作用し、Schrödingerの猫のような重ね合わせ状態から抜け出させると予測する
- このシナリオは 波動関数の崩壊 問題と結びつく
- 波動関数の崩壊問題とは、重ね合わせ状態の量子系を測定すると、なぜ複数の可能な状態が1つの明確な状態になるのかを問う問題である
- 一部の物理学者は、崩壊は宇宙に内在するランダム性のために起こると提案してきた
- こうした崩壊モデルはCarneyのモデルとは細部が異なるが、似た実験結果をもたらしうる
- 孤立した量子系は、測定されたり外部から影響を受けたりしなくても、最終的には自発的に崩壊するという予測である
- University of TriesteのAngelo Bassiは、同じ実験装置が原理的には2種類のモデルの両方を検証するのに使えるとみている
- Bassiはこうした実験を主導してきており、すでに一部の崩壊モデルは排除されている
長期的な含意
- Van Raamsdonkは懐疑的ではあるが、私たちの宇宙の実際の重力がホログラフィーから生じることはまだ確立されていないため、別のメカニズムを探る価値はあると考えている
- この長期仮説が正しいなら、重力は法則というより 統計的傾向 なのかもしれない
1件のコメント
Hacker News の意見
エントロピー重力は「ブラジルナッツ効果」[0] [1]に似ていると見ている。大きさの違うナッツが入ったカップを振ると、大きいものが上に上がってくるという現象だ
私の理解では、大きな物体は質量が大きいため振られたときによりゆっくり動き、ブラジルナッツはピーナッツより動きが少ないので、重力によってその下に隙間ができ、ピーナッツがその空間を埋める
エントロピー重力では、何らかの基本的な密度を持つもの、粒子や亜原子粒子のようなものが、あらゆる方向から物体をランダムに叩いていると考えるようだ。大きな質量を持つ2つの物体が近づくと、その間の領域の密度が低くなり、その低密度領域では粒子が衝突する頻度が低くなるため、互いに引き合うという仕組みだ。一種の「影」を落としているわけだ
物理学者ではないが、以前調べたときには、大質量物体を「叩く」粒子の密度に関する仮定があり、その密度を正当化するのが難しかったと記憶している。もっと詳しい人が訂正したり説明したりしてくれるとうれしい
付け加えると、ブラジルナッツ効果は実際に非常によく起きる。レーズンが欲しければ raisin bran を振ればいいし、猫が残した贈り物を探したければ猫砂を振ればいい。驚くほどうまくいく
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
[1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM
重力を説明するさまざまなメカニズムが提案されており、その一つは、宇宙には非常に高速であらゆる方向に動く粒子が大量にあり、物質を通過するときに少し吸収されると仮定するものだ。太陽が近くにあると、太陽を通過して地球に来る粒子の一部が吸収され、反対側から来る粒子より少なくなり、地球は太陽の方向へ正味の力を受ける。距離の二乗に反比例する法則も簡単に出てくる
しかし地球が太陽の周りを回るとき、進行方向から来る粒子とより多く衝突するため、運動に対する抵抗を受け、軌道上で減速するはずだ。計算してみると、地球がいまも軌道に残っていられるほど長くはもたないので、このメカニズムは成り立たない。重力を「説明」しつつ、存在しない別の現象を予測しない仕掛けは、まだ発明されたことがない、という内容だ
低速ではニュートン重力に似たものが現れるが、高速では銀河団と巨大な空洞が現れる MOND 重力に似た様相となり、暗黒物質は不要に見える
https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
「輪ゴムを伸ばすことは、エネルギーを増加させる一方でエントロピーを減少させる等圧膨張（A → B）である」
Verlinde のエントロピー重力では、2つの質量の間のつながりを「より伸びていない」状態に戻す重力相互作用がある。2つの物体は、離れているときより近いときのほうがエントロピーが高く、離れた物体同士を引き寄せる一種の張力が生じる
Carney らのアプローチでは、「自由エネルギーの極値によって駆動される微視的な系が媒介する圧力」があり、これは物体が遠くにあるときのほうが近くにあるときよりエントロピーが低いことを意味する。このエントロピーは気体から生じ、物体が近いときは圧力がより低く、遠いときはより高い。圧力は張力の反対なので、大枠では、2つのエントロピー重力理論はいずれもニュートンの法則に匹敵する普遍法則、つまり物体がエントロピー力によって一緒に動く構造を持っている
このエントロピー力は根本的なものではなく、ホログラフィックな設定、つまり3+1次元より多くの次元を持つ設定における、量子的または微視的自由度の統計的挙動から生じる。非常に弦理論的な発想だ
ただし、エントロピー力が厳密に放射状でなければ機能させるのは非常に難しく、すでによく検証されている領域の一般相対性理論がどのように出てくるのかも見えにくい
通常の説明は、揺れが一時的に空き空間を作り、小さい物体はより小さい隙間にも下へ落ちることができるので、そうした空間に入る確率が高い、というものだ
エントロピー重力は魅力的な枠組みだ。まだ分かっていない万物理論は微視的で量子力学的であり、全域的で極めて弱い重力はその理論から一種の会計上の誤差のように出てくる、と信じたい物理学者は多いのではないかと思う
しかしこうした理論には潜在的な仮定があまりにも多く入っているため、「見よ、アインシュタインの場の方程式だ」と言われても簡単には信じがたい
ただし、重力がその理論から会計上の誤差のように出てくるという点には同意しにくい。おそらく他の力と同じように、また別の奇妙なボソン系列である可能性が高い
記事でも、エントロピー重力は非常に少数派の見解だが消えることはなく、反対者たちも完全に無視するのをためらっていると述べている
実験物理学者として、新しい理論が観測可能な現象によってこの問題を判別できるようになるまでは、興奮しないようにしている
ある理論から予測が10個出てきて、そのすべてが既知のものなら、過学習のように見える
理解できない
私にとってエントロピーは物理的実体ではなく、ある系についての私たちの不完全な知識の尺度である。物質の巨視的性質しか測定できないので、その巨視的性質が系の本当の微視状態をどれほど不完全に記述しているかを定量化するために作られた数だと見ている。微視的レベルまで拡大して見られるなら、エントロピーは意味を失うように思う
だから、重力や他の根本的な物理相互作用がエントロピーから出てくるという点が理解できない。人間が作った概念にすぎないと思う
物理的エントロピーは実際の物理過程を支配する。単純な例として、暖かい部屋で氷が溶ける理由があり、より微妙な例として、時間がたつにつれてケーブルが絡まる理由がある
エントロピーの測定値は、氷の入った暖かい部屋や絡まったケーブルのような系の状態を巨視的に要約する方法と見ることはできるが、その測定値が説明している現象そのものと同じではない
Boltzmann 型のエントロピーは第二法則をかなり直感的にしてくれる。系が秩序ある状態でいる方法より無秩序な状態でいる方法のほうがはるかに多いため、時間とともにより高いエントロピーへ向かい、そのため暖かい部屋で氷が溶ける
それでもエントロピー力には明確な「実在性」がある。実験室で実際に測定できるからだ。納得できないなら https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force を見るとよいし、特にこのテーマを初めて学ぶときにいつも使われる例である https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain を見ればよい
この観点では、エントロピーは単に「作り出されたもの」ではなく、観測された現象を説明する有効な方法である。したがって根本法則ではないとしても、有効な物理法則としては有用だ。実際、Wikipedia のページもエントロピー力を「創発現象」と呼んでいる
したがって、エントロピー重力を信じる合理的な人であれば、重力を自動的に創発現象と呼ばざるを得ない。また、エントロピーの確率的解釈を「復元」する新しい根本的な重力理論が必要だと結論づけなければならない
エントロピー重力が興味深く異国的なのは、他の多くの根本理論の探索が、古典力学を量子化して量子力学に到達するように、重力をほぼ直接量子化する方法から出発するためである。エントロピー重力は、それは誤ったアプローチだと見ており、理想気体の法則を直接量子化しようとしないのと同じだと考える
[0] 物理学でも、確率分布のないエントロピーは存在しない。違うことを言う人は、おそらく熱力学だけを学んで統計力学を学ばず、19世紀にとどまっているのだ
私たちの知識を持ち込む理由もない。エントロピーは与えられた系で可能な微視状態の数を表す尺度であり、その数は私たちとは独立に存在する
ずっと以前からエントロピー重力を信じてきたし、それは量子泡のせいだと考えている。何もない空間領域では、その空間の量子泡は完全に一様でランダムなはずだ
質量とエネルギーがあると、空間の状態が偏り、ランダムさが下がる。これがエントロピー勾配を作る。さらにこれは重力だけでなく、銀河間空間が負のエネルギーと空間膨張を示しているように見える理由も説明する
エントロピー重力に関する研究がさらに出てくるのはうれしいし、聞いたことのある他の重力理論の大半よりも、より合理的な説明だと思う
地球上の生命が太陽からエネルギーを得ていることは誰もが知っている。
しかしそれは子ども向けの近似的な説明であり、実際には生命は太陽から低エントロピーの光子を受け取り、仕事をしたあとに高エントロピーの赤外線廃熱を放出している。エネルギーは保存され、エントロピーは増大する。
では太陽は最初に、低エントロピーの光子をどこから得たのだろうか？ 重力から得たのだ。空で均一な空間は低いエントロピーを持ち、太陽が形成されるときにそれを「汲み上げた」のである。
なぜダウンボートされているのか分からないが、これはノーベル物理学賞受賞者 Roger Penrose が提示している説明である: https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6
「地球に届く太陽エネルギーが低エントロピーである理由は、そのエネルギーがすべて空の中の角直径0.5度の領域から来るためである」
別の回答では、「日光が低エントロピーである理由は、太陽が非常に熱いからである。エントロピーとは本質的に、エネルギーがどれだけ広がっているかの尺度だ。同じ熱エネルギーを持つ2つの系を比べると、エネルギーがより集中している方、つまり低エントロピーの方がより熱い」と述べている。
https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
おそらくどちらもある程度正しいのだろう。ただ、太陽が空で低エントロピーの空間を汲み上げたという仮説はよく理解できない。太陽は、以前の恒星の爆発が作った塵やガスから形成されたのではなかったか？ つまり低エントロピーとはほぼ正反対に見える。
私たちが恒星のような「低エントロピー」構造として見ているものは、実はより大きなスケールでは高エントロピーの均一な構造であり、近くから見ているためにより細かな構造が見えているだけなのかもしれない。
太陽から来た光子は熱く、太陽周辺の空間は冷たいため、その系が低エントロピーを持つ。
太陽周辺の空間が光子と同じくらい熱かったなら、エントロピーは高かったはずだ。
重力が宇宙における情報の働き方の創発的な結果かもしれないという発想は興味深い。ただ、このモデルが一般相対性理論とは異なる何かを予測するという明確な証拠は、まだないように感じる。
現時点では、探究するには面白いが完全に受け入れるのは難しい理論の一つだ。
エントロピーの統計力学的定義は、ある系で可能な粒子配置の数に依存する。閉じた系ではエントロピーは平衡へ近づき、これがセンセーショナルに「宇宙の熱的死」と表現されてきた。
しかし私たちは宇宙が膨張していることを知っているので、可能な配置の数も増えており、したがってエントロピーは決して平衡に達しない可能性がある。宇宙が、その構成要素が再分布する速度よりも速く膨張するなら、エントロピーは減少することさえあり得る。
こうした点を考えると、エントロピーを重力の構成要素として含める理論は、時間とともに重力が変化するという結論を示唆することになるだろう。
この効果は、生物学的系をモデル化するときに使う疎水性相互作用を思い起こさせる。たとえばタンパク質内部に疎水性残基が位置しようとする傾向のようなものだ。
数年前に読んだこの記事は本当に良かった。ドメインはもうアクティブではないようだが、内容は良い入門資料で、外部リンクの大半もまだ機能している。
https://web.archive.org/web/20211215122133/https://an0maly.c...