Μια νέα θεώρηση της βαρύτητας α

Μια νέα θεώρηση της βαρύτητας α

Η εντροπία και η πληροφορία ίσως να αποτελούν κρίσιμες έννοιες για την ερμηνεία των θεμελίων της οικείας δυνάμεως

Του Tom Siegfried στο Science News, 25.9.2010, σελίδες 26-29

Το να εξηγήσεις σε ένα μικρό παιδί τι είναι η βαρύτητα είναι απλό: το μόνο που έχεις να πεις είναι: ότι πάει πάνω πρέπει να έρθει κάτω. Μέχρι το παιδί να ρωτήσει γιατί. Τι μπορείς να πεις; Έτσι λειτουργούν τα πράγματα. Όλες οι μάζες έλκονται. Ίσως σε κάποιον έξυπνο μαθητή γυμνασίου θα μπορούσε να εξηγήσει κανείς ότι ο χωροχρόνος παραμορφώνεται από την μάζα. Σε μαθητές λυκείου θα μπορούσε να πει κανείς ότι χωρίς την βαρύτητα οι νόμοι της φυσικής θα διέφεραν για ανθρώπους που κινούνται με μεταβαλλόμενη ταχύτητα. Όλες όμως αυτές οι λαμπρές απαντήσεις, απλώς προκαλούν να ρωτήσει κανείς στο τέλος: γιατί; Η απάντηση που έδωσε ο Sir Isaac Newton σε παρόμοιες ερωτήσεις ήταν: «hypotheses non fingo», δεν έχω ιδέα.

Το ότι μια τόσο απλή ερώτηση για ένα τόσο κοινό φαινόμενο διέφυγε μιας απάντησης για αιώνες, μπορεί να εξηγήσει ίσως γιατί ο κόσμος της φυσικής αντιδρά τόσο νευρικά στην πρόσφατη προσπάθεια να λυθεί το αίνιγμα. Μια πληθώρα πρόσφατων άρθρων έχει διερευνήσει αυτή την νέα ιδέα, η οποία αναμιγνύει αρχές από την θεωρία χορδών και την φυσική των μαύρων τρυπών με την θεμελιώδη παλιομοδίτικη θερμοδυναμική. Αν η θεώρηση αυτή ισχύει, η βαρύτητα είναι μια ειδική μορφή εντροπίας. Είναι δηλαδή αποτέλεσμα της ίδιας φυσικής η οποία οδηγεί τα πράγματα στην απώλεια οργάνωσης και τάξης υποκύπτοντας στους νόμους των πιθανοτήτων. Με την κβαντική μηχανική και την θεωρία της πληροφορίας προκύπτει ένα σύμπαν το οποίο κυριαρχείται σε μεγάλο βαθμό από τις ίδιες αρχές που διέπουν ένα τεντωμένο λαστιχάκι.

Ενώ παρόμοιες ιδέες έχουν εκφρασθεί και προηγουμένως, κανένας δεν εξέφρασε την θεωρία «βαρύτητα ως εντροπία» τόσο έντονα όσο ο θεωρητικός Erik Verlinde του πανεπιστήμιου του Amsterdam, σε ένα άρθρο που εκδόθηκε τον Ιανουάριο του 2010 (On the Origin of Gravity and the Laws of Newton, arXiv:1001.0785). Στο άρθρο αυτό ο Verlinde μαγειρεύει το μαθηματικό κομμάτι που αντιστέκεται, και συνδέει την βαρύτητα με την θερμοδυναμική. Τα συστατικά του είναι ο νόμος της εντροπίας, η φυσική των μαύρων τρυπών, και μερικές υποθέσεις για το πως ο χώρος αποθηκεύει πληροφορίες περί ύλης και ενέργειας που βρίσκονται εντός του. Η συνταγή του επαναλαμβάνει τον νόμο της βαρυτικής έλξης του Νεύτωνα, και προσθέτοντας μερικά μαθηματικά μπαχαρικά φτάνει στην γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein, την μοντέρνα και ανίκητη δηλαδή νικήτρια μεταξύ των θεωριών περί βαρύτητας. Η ανάλυση του Verlinde υποδεικνύει πως τη βαρύτητα προκύπτει από μια φυσική δυναμική ανάλογη των θεμελιωδών διαδικασιών της θερμοδυναμικής. «Χρησιμοποιώντας έννοιες όπως ενέργεια, εντροπία και θερμοκρασία, οι νόμοι του Νεύτωνα εμφανίζονται με τρόπο φυσικό και αναπόφευκτο».

Δεν αποδέχονται, ούτε φυσικά καταλαβαίνουν όλοι τα επιχειρήματα του Verlinde. Μόνο λίγοι από τους mainstream φυσικούς εκφράστηκαν με ενθουσιασμό για το άρθρο του. Το άρθρο όμως αυτός ενέπνευσε μια πλειάδα άλλων εργασιών, μερικές από τις οποίες επεκτείνουν ιδέα του Verlinde που θέλει να συμπεριλάβει την ιστορία του σύμπαντος. Η ταχεία επέκταση του σύμπαντος αμέσως μετά την μεγάλη έκρηξη, αλλά και η πρόσφατη επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος, ταιριάζουν στην εικόνα της πραγματικότητας την οποία περιγράφει η εντροπία-βαρύτητα. Κάτω από αυτή την θεώρηση μπορεί να καραδοκεί  μια νέα κοσμοθεωρία, η οποία να δίνει έμφαση στο πρωτείο της πληροφορίας έναντι της ύλης και της ενέργειας.

Εντροπία και πληροφορία

 Ο όρος εντροπία μεταφράζεται συνήθως στην καθομιλούμενη ως «αταξία». Όσο αυξάνει η εντροπία τόσο πιο άτακτα τα πράγματα. Το ξύλο σαπίζει, τα μέταλλα σκουριάζουν. Ουσίες κρύες και ζεστές καταλήγουν χλιαρές. Κάθε σύστημα στο οποίο δεν παρέχεται ενέργεια φτάνει σε ένα σημείο ισορροπίας, και η εντροπία του φτάνει στο μέγιστο.

 Σε μια πιο τεχνική γλώσσα, η εντροπία είναι μια εκτίμηση για το ποια είναι η πιθανότητα ένα σύστημα να βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη διαμόρφωση. Μια χαμηλή εντροπία περιγράφει συστήματα με σχεδόν απίθανη διάταξη των μερών τους. Η εντροπία συνήθως ισούται με την αταξία, διότι υπάρχουν πολύ λίγοι τρόποι ώστε ένα σύστημα να βρίσκεται σε τάξη, αλλά πολλοί τρόποι να το φέρεις σε αταξία. (Η μηχανή ενός αυτοκινήτου λειτουργεί μόνο όταν τα μέρη που την αποτελούν είναι συναρμολογημένα με ένα συγκεκριμένο τρόπο. Μπορείς όμως να διασκορπίσεις τα διάφορα εξαρτήματα με άπειρους τρόπους.) Και έτσι το πιο πιθανό είναι ένα σύστημα να βρίσκεται σε αταξία (εάν δεν προστίθεται ενέργεια η οποία απαιτείται για την διατήρηση της τάξης) - σε κατάσταση δηλαδή με την μέγιστη εντροπία.

Το περίεργο είναι, πως οι εξισώσεις που συσχετίζουν την εντροπία με την πιθανότητα, είναι ακριβώς ίδιες με αυτές που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες της πληροφορικής για να ποσοτικοποιήσουν την πληροφορία. Προκύπτει πως η πληροφορία είναι η άλλη όψη της εντροπίας: λέγοντας πως ένα αέριο, με όλα τα μόρια του, στριμωγμένο σε μια γωνιά ενός κουτιού,  έχει χαμηλή εντροπία, είναι απλώς ένας άλλο τρόπος να πεις πως έχεις την πληροφορία για το που βρίσκονται τα μόρια του. Καθώς τα μόρια διασκορπίζονται η πληροφορία περί της θέσεως τους εξαφανίζεται και η εντροπία αυξάνεται. 

Aμέθυστος.