Ist Gravitation einfach nur ein Phänomen zunehmender Entropie? Eine alte Langzeit-Hypothese rückt wieder in den Fokus

• Das neue Modell des Teams um Daniel Carney behandelt Gravitation nicht als fundamentale Kraft, sondern als kollektiven Effekt, der aus wachsender Entropie entsteht, und erhält Aufmerksamkeit, weil es in der Diskussion um Quantengravitation einen experimentell prüfbaren Ansatz eröffnet
• Dieser Ansatz geht davon aus, dass unsichtbare mikroskopische Bestandteile mit Masse über zufällige Wechselwirkungen interagieren und ihr mittlerer Effekt als vertraute Gravitationsphänomene wie die Umlaufbahn der Erde erscheint
• Zwei Modelle reproduzieren mit einem Qubit-Gitter und mit Qubits ohne festen Ort die umgekehrt quadratische Distanzabhängigkeit der Newtonschen Gravitation, doch auch Carney betont, dass es eher um einen Prinzipnachweis als um ein realistisches Modell des Universums geht
• Skeptiker kritisieren, dass diese Modelle die Raumzeitkrümmung der allgemeinen Relativitätstheorie, die Besonderheit des freien Falls und Bereiche starker Gravitation wie Schwarze Löcher nicht erfassen
• Experimente, die in schwachen Gravitationsfeldern nach statistischen Fluktuationen oder nach einem Kollaps der Wellenfunktion durch Quantensuperpositionen massiver Objekte suchen, könnten zum eigentlichen Prüfstein dieser Hypothese werden

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Ein alter Versuch, Gravitation als kollektiven Effekt zu verstehen

• Newton veröffentlichte 1687 das Gesetz der universellen Gravitation, war aber selbst danach nicht völlig zufrieden mit der Frage, wie sich zwei Körper über Distanz hinweg überhaupt anziehen können
• Damals wurden mechanische Modelle vorgeschlagen, die Gravitation nicht als Anziehung, sondern als einen drückenden Effekt verstanden
  • Unsichtbare Teilchen treffen dabei aus allen Richtungen auf Objekte, und zwischen zwei Körpern entsteht durch einen Absorptionseffekt eine resultierende Kraft, die beide aufeinander zubewegt
• Diese Theorien waren nicht erfolgreich, und Einstein legte mit der allgemeinen Relativitätstheorie eine Erklärung der Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit vor
• Doch auch die allgemeine Relativitätstheorie lässt sich schwer als endgültige Theorie ansehen, daher dauern Versuche an, Gravitation als Ergebnis kollektiven Verhaltens auf noch mikroskopischerer Skala zu verstehen

Die Grundidee der entropischen Gravitation

• Das Team des Lawrence Berkeley National Laboratory unter Leitung von Carney schlug Anfang dieses Jahres in einer neuen Arbeit einen Ansatz vor, der einer modernen Version mechanischer Modelle aus dem 17. Jahrhundert nahekommt
• Die zentrale Annahme lautet, dass ein unsichtbares „Gas oder thermisches System“ zufällig mit Masse wechselwirkt und im Mittel vertraute Gravitationsphänomene wie den Umlauf der Erde um die Sonne hervorbringt
• Dieser Ansatz wird entropische Gravitation (entropic gravity) genannt und deutet tiefere Physik als Physik der Wärme
  • das zufällige Zittern und Durchmischen von Teilchen, das Dampfmaschinen, Automotoren und Kühlschränke bestimmt
  • die daraus folgende Entropie, also die Zunahme von Unordnung
  • und die Sichtweise, dass aus solchen Prozessen Gravitation entsteht
• Entropische Gravitation taucht seit Jahrzehnten immer wieder auf, ist aber eine Minderheitenposition geblieben
• Besonders an diesem Modell ist, dass es als Theorie über den Ursprung universeller Anziehungskraft vergleichsweise seltene experimentelle Prüfbarkeit in Aussicht stellt

Der seltsame Berührungspunkt von allgemeiner Relativitätstheorie und Thermodynamik

• Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass Sterne kollabieren und zu Schwarzen Löchern werden können, doch im Zentrum eines Schwarzen Lochs wird die Gravitation unendlich stark, und die Theorie kann nicht mehr sagen, was danach passiert
• Obwohl bei ihrer Entwicklung keine Wärmekonzepte eingeflossen sind, besitzt die allgemeine Relativitätstheorie thermodynamikähnliche Eigenschaften
  • Schwarze Löcher können nur wachsen, nicht schrumpfen
  • sie verschlingen Materie, ohne sie wieder auszuspucken
  • diese Irreversibilität ähnelt dem Fluss von Wärme
• Untersucht man die verzerrte Raumzeit um ein Schwarzes Loch mit Quantenmechanik, strahlt das Schwarze Loch wie ein heißer Körper Energie ab
• Wenn Wärme auf der zufälligen Bewegung von Teilchen beruht, deuten solche thermischen Effekte darauf hin, dass Schwarze Löcher und das Raumzeit-Kontinuum aus irgendwelchen Teilchen oder mikroskopischen Bestandteilen bestehen könnten

Jacobsons Arbeit von 1995 und frühere Ansätze

• Auf Grundlage von Hinweisen aus Schwarzen Löchern haben Physiker auf verschiedene Weise untersucht, wie Raumzeit aus mikroskopischeren Bestandteilen hervorgehen könnte
• Ein prominenter Ansatz, das holografische Prinzip, vergleicht das Auftauchen von Raumzeit mit einem gewöhnlichen Hologramm
  • So wie ein Wellenmuster auf einer flachen Oberfläche Tiefenwirkung erzeugt, könnten Muster mikroskopischer Bestandteile des Universums eine weitere Raumdimension hervorbringen
  • Ist diese neue Dimension gekrümmt, entsteht Gravitation ganz natürlich
• Der Physiker Ted Jacobson von der University of Maryland führte in einer Arbeit von 1995 die entropische Gravitation ein
• Während frühere Forschung aus Einsteins Theorie wärmeähnliche Resultate ableitete, ging Jacobson umgekehrt vor und leitete aus angenommenen thermischen Eigenschaften der Raumzeit die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie her
• Für Carney ist dieses Resultat ein Signal dafür, dass die Parallele zwischen Gravitation und Wärme wichtig sein könnte

Das erste Modell von Carneys Team: ein Qubit-Gitter

• Carney, Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh und Jacob Taylor schlagen zwei Modelle vor, wie gravitative Anziehung aus mikroskopischen Bestandteilen entstehen könnte
• Im ersten Modell ist der Raum von einem Kristallgitter aus Quantenteilchen oder Qubits erfüllt
  • Jedes Qubit hat wie eine Kompassnadel eine Ausrichtung
  • Befindet sich ein massereiches Objekt in der Nähe, richten sich die umliegenden Qubits an diesem Objekt aus
• Ein massereiches Objekt erzeugt in dem ursprünglich zufällig orientierten Qubit-Gitter einen Bereich hoher Ordnung
• Setzt man zwei Massen in das Gitter, entstehen zwei Bereiche hoher Ordnung, und hohe Ordnung entspricht niedriger Entropie
• Da das System dazu neigt, die Entropie zu maximieren, entsteht ein Effekt, der die beiden Massen aufeinander zudrückt, um den geordneten Bereich zu verkleinern
• Nach außen sieht es so aus, als würden sich die beiden Massen durch Gravitation anziehen, tatsächlich übernehmen aber die Qubits die Wirkung
• Diese scheinbare Anziehung nimmt wie im Newtonschen Gesetz mit dem Quadrat des Abstands zwischen den beiden Massen ab

Das zweite Modell: Qubits ohne festen Ort

• Das zweite Modell entfernt das Gitter
• Massereiche Objekte befinden sich weiterhin im Raum und stehen unter dem Einfluss von Qubits, doch die Qubits nehmen keinen festen Ort ein und können weit voneinander entfernt sein
• Dieses Merkmal soll die Nichtlokalität der Newtonschen Gravitation abbilden
  • also die Eigenschaft, dass jedes Objekt im Universum in gewissem Maß auf jedes andere wirkt
• Jedes Qubit kann Energie speichern, und die speicherbare Menge hängt vom Abstand zwischen den Massen ab
  • Sind die Massen weit voneinander entfernt, kann ein einzelnes Qubit mehr Energie aufnehmen, sodass sich die Gesamtenergie in wenige Qubits packen lässt
  • Nähern sich die Massen an, sinkt die Energiekapazität eines einzelnen Qubits, sodass sich die Gesamtenergie auf mehr Qubits verteilen muss
• Wenn sich Energie über mehr Qubits verteilt, entspricht das höherer Entropie, daher treibt das System die Massen aufeinander zu und stimmt so mit der Newtonschen Gravitation überein

Grenzen der Modelle und Skepsis

• Carney warnt, dass beide Modelle ad hoc sind
  • Es gibt keine unabhängigen Belege dafür, dass solche Qubits existieren
  • Stärke und Richtung der von den Qubits ausgeübten Kräfte mussten feinjustiert werden
  • Es ist unklar, ob das gegenüber der Sichtweise, Gravitation als fundamental zu behandeln, überhaupt ein Fortschritt ist
• Was diese Modelle reproduzieren, ist nur das Newtonsche Gravitationsgesetz, nicht die gesamte Einstein-Theorie, die Gravitation mit Raumzeitkrümmung gleichsetzt
• Für Carney sind diese Modelle kein realistisches Bild davon, wie das Universum tatsächlich funktioniert, sondern eher ein Prinzipnachweis, dass kollektives Verhalten gravitative Anziehung erklären könnte
• Mark Van Raamsdonk von der University of British Columbia bezweifelt, dass sie überhaupt ein Prinzipnachweis sind
  • Der Holografie-Forscher meint, den neuen entropischen Modellen fehle die besondere Eigenschaft der Gravitation, dass man sie im freien Fall nicht spürt
• Für Ramy Brustein von der Ben-Gurion University liegt die eigentliche Herausforderung der Gravitationsphysik in Bereichen starker Kopplung und starker Felder wie Schwarzen Löchern, und dazu hätten diese entropischen Modelle nichts zu sagen

Signale, nach denen sich in schwachen Gravitationsfeldern suchen ließe

• Befürworter der entropischen Gravitation meinen, Physiker sollten nicht zu sicher sein, wie Gravitation in schwachen Feldern genau funktioniert
• Wenn Gravitation ein kollektiver Effekt von Qubits ist, dann entspricht das Newtonsche Kraftgesetz einem statistischen Mittelwert
• Der momentane Effekt könnte um diesen Mittelwert herum schwanken
• Erik Verlinde von der University of Amsterdam meint, solche Fluktuationen könnten beobachtbar werden, wenn man in sehr schwache Felder geht
• Verlinde hatte in einer Arbeit von 2010 für entropische Gravitation argumentiert und die Idee seither weiterentwickelt

Richtung Experimente zu Quantensuperposition und Kollaps

• Carney sieht den wichtigsten Vorzug des neuen Modells darin, konzeptionelle Fragen zur Gravitation aufzuwerfen und neue experimentelle Richtungen zu eröffnen
• Wenn sich ein massereiches Objekt in einer Quantensuperposition (superposition) aus zwei Positionen befindet, stellt sich die Frage, ob auch sein Gravitationsfeld überlagert ist und ein fallendes Objekt in zwei Richtungen zieht
• Das neue Modell entropischer Gravitation sagt voraus, dass Qubits auf massereiche Objekte einwirken und sie aus Überlagerungszuständen wie Schrödingers Katze herausdrängen
• Dieses Szenario hängt mit dem Problem des Kollapses der Wellenfunktion zusammen
  • Das Problem des Wellenfunktionskollapses fragt, warum bei der Messung eines Quantensystems in Superposition aus vielen möglichen Zuständen ein einziger eindeutiger Zustand wird
• Einige Physiker haben vorgeschlagen, dass der Kollaps durch eine dem Universum innewohnende Zufälligkeit verursacht wird
• Solche Kollapsmodelle unterscheiden sich in den Details von Carneys Modell, könnten aber zu ähnlichen experimentellen Ergebnissen führen
  • nämlich zur Vorhersage, dass ein isoliertes Quantensystem auch ohne Messung oder äußeren Einfluss schließlich von selbst kollabiert
• Angelo Bassi von der University of Trieste meint, dass prinzipiell dieselbe Versuchsanordnung genutzt werden könnte, um beide Modelltypen zu testen
• Bassi hat solche Experimente vorangetrieben, und einige Kollapsmodelle wurden bereits ausgeschlossen

Langfristige Bedeutung

• Van Raamsdonk bleibt skeptisch, meint aber, dass es sich lohnt, andere Mechanismen zu erkunden, weil nicht feststeht, dass die tatsächliche Gravitation unseres Universums aus der Holografie hervorgeht
• Sollte sich diese Langzeit-Hypothese als richtig erweisen, könnte Gravitation weniger ein Gesetz als vielmehr eine statistische Tendenz sein

[GN⁺]

Meinungen auf Hacker News

• Entropische Gravitation ähnelt meiner Ansicht nach dem „Paranuss-Effekt“ [0] [1]. Wenn man einen Becher mit Nüssen unterschiedlicher Größe schüttelt, steigen die großen nach oben
  Soweit ich es verstehe, bewegen sich große Objekte beim Schütteln langsamer, weil sie mehr Masse haben; da sich Paranüsse weniger bewegen als Erdnüsse, entstehen durch die Schwerkraft darunter Hohlräume, die dann von Erdnüssen gefüllt werden
  Bei entropischer Gravitation scheint die Annahme zu sein, dass etwas mit einer grundlegenden Dichte, etwa Teilchen oder subatomare Teilchen, Objekte aus allen Richtungen zufällig trifft. Wenn zwei massereiche Objekte einander nahekommen, wird die Dichte im Bereich dazwischen geringer; weil aus diesem Bereich geringerer Dichte weniger Teilchen auf sie prallen, ziehen sie sich gegenseitig an. Sie werfen gewissermaßen einen „Schatten“
  Ich bin kein Physiker, aber als ich früher dazu nachgelesen habe, erinnere ich mich, dass es eine Annahme über die Dichte der Teilchen gab, die massereiche Objekte „treffen“, und dass es schwierig war, diese Dichte zu rechtfertigen. Wenn jemand, der sich besser auskennt, das korrigieren oder erklären könnte, wäre das gut
  Nebenbei: Der Paranuss-Effekt tritt tatsächlich sehr zuverlässig auf. Wenn man Rosinen haben will, schüttelt man Raisin Bran; wenn man die Geschenke finden will, die die Katze hinterlassen hat, schüttelt man das Katzenstreu. Funktioniert erstaunlich gut
  [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
  [1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM

  • Ich bin kein Physiker, aber es gibt eine Stelle in den Feynman Lectures, die mit dem Beschriebenen zusammenzuhängen scheint: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_07.html
    Es wurden verschiedene Mechanismen zur Erklärung der Gravitation vorgeschlagen; einer davon nimmt an, dass es im Universum viele Teilchen gibt, die sich sehr schnell in alle Richtungen bewegen und beim Durchgang durch Materie ein wenig absorbiert werden. Wenn die Sonne in der Nähe ist, werden einige der Teilchen, die durch die Sonne zur Erde kommen, absorbiert, sodass von dieser Seite weniger ankommen als von der gegenüberliegenden; dadurch erfährt die Erde eine Nettokraft in Richtung Sonne. Auch das Abstandsquadratgesetz ergibt sich daraus leicht
    Wenn die Erde jedoch um die Sonne kreist, würde sie mit mehr Teilchen aus ihrer Bewegungsrichtung zusammenstoßen und dadurch einen Widerstand gegen ihre Bewegung erfahren, sodass sie in ihrer Umlaufbahn langsamer werden müsste. Rechnet man das aus, würde die Erde nicht lange genug durchhalten, um heute noch in ihrer Umlaufbahn zu sein; daher funktioniert dieser Mechanismus nicht. Der Punkt ist: Es wurde noch kein Apparat erfunden, der die Gravitation „erklärt“, ohne andere Phänomene vorherzusagen, die es nicht gibt
  • Es gibt ein besseres YouTube-Video, das zeigt, dass Teilchenphysik und Schwingungsgeschwindigkeit, also Amplitude, kontraintuitive Teilchenanordnungen erzeugen können
    Bei niedriger Geschwindigkeit entsteht etwas, das der Newtonschen Gravitation ähnelt; bei hoher Geschwindigkeit entstehen Muster, die der MOND-Gravitation ähneln, mit Galaxienhaufen und großen Voids, und Dunkle Materie scheint nicht nötig zu sein
    https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
  • „Entropisch“ ist hier eher im Sinne der entropischen Kraft gemeint, die ein gedehntes Gummiband in seinen Ausgangszustand zurückbringt. Ein Gummiband hat tendenziell eine höhere Entropie, wenn es etwas zusammengezogen ist
    https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
    „Das Dehnen eines Gummibands ist eine isobare Expansion (A → B), die die Energie erhöht, aber die Entropie verringert“
    In Verlindes entropischer Gravitation gibt es eine Gravitationswechselwirkung, die die Verbindung zwischen zwei Massen in einen „weniger gedehnten“ Zustand zurückführt. Je näher zwei Objekte beieinander sind, desto höher ist die Entropie im Vergleich zu ihrem Zustand in größerer Entfernung, und es entsteht eine Art Spannung, die getrennte Objekte zusammenzieht
    Im Ansatz von Carney et al. gibt es einen „Druck, vermittelt durch ein mikroskopisches System, das von einem Extremum der freien Energie getrieben wird“; das bedeutet, dass die Entropie niedriger ist, wenn die Objekte weit voneinander entfernt sind, als wenn sie nahe beieinander sind. Diese Entropie stammt aus dem Gas; der Druck ist niedriger, wenn die Objekte nahe beieinander sind, und höher, wenn sie weit entfernt sind. Druck ist das Gegenteil von Spannung, daher haben beide entropischen Gravitationstheorien im Großen und Ganzen eine Struktur einer universellen Regel, vergleichbar mit Newtons Gesetz: Objekte bewegen sich durch entropische Kräfte zusammen
    Diese entropische Kraft ist nicht fundamental, sondern entsteht in einem holografischen Setting, also in einer Anordnung mit mehr Dimensionen als 3+1, aus dem statistischen Verhalten quantenmechanischer oder mikroskopischer Freiheitsgrade. Das ist eine sehr stringtheoretische Idee
    Allerdings ist es sehr schwierig, sie zum Funktionieren zu bringen, wenn die entropische Kraft nicht strikt radial ist; und es ist ebenfalls schwer zu sehen, wie daraus die Allgemeine Relativitätstheorie in den bereits gut überprüften Bereichen hervorgehen soll
  • Wenn sich große Objekte langsamer bewegen, würden sie sich dann im Bezugssystem eines beschleunigenden Behälters nicht eher schneller bewegen?
    Die übliche Erklärung lautet eher, dass das Schütteln vorübergehend leere Räume erzeugt und kleine Objekte auch durch kleinere Lücken nach unten fallen können, sodass sie mit höherer Wahrscheinlichkeit in solche Räume gelangen
  • Ich habe immer gedacht, dass das Phänomen dadurch entsteht, dass kleine Nüsse durch kleine Spalten fallen können, große Nüsse aber nicht

• Entropische Gravitation ist ein reizvoller Rahmen. Ich glaube, viele Physiker würden gern annehmen, dass die noch unbekannte Theorie von allem mikroskopisch und quantenmechanisch ist und dass die globale, extrem schwache Gravitation daraus gewissermaßen als buchhalterischer Rundungsfehler hervorgeht
  Aber in solchen Theorien stecken so viele implizite Annahmen, dass es schwerfällt, einfach zu glauben, wenn es heißt: „Seht her, Einsteins Feldgleichungen“

  • Jacobson hat gezeigt: Thermodynamik + Spezielle Relativitätstheorie = Allgemeine Relativitätstheorie. Das sind so allgemeine Annahmen, dass man sich kaum vorstellen kann, was man darüber hinaus noch fordern sollte
  • Mich würde interessieren, welche Annahmen du für die problematischsten hältst
  • Dem Artikel zufolge wird noch nicht behauptet, bis zu den Einsteinschen Feldgleichungen zu gelangen; derzeit scheint es nur um klassische Newtonsche Gravitation zu gehen
  • Ich stimme zu, dass es eine mikroskopische, quantenmechanische Theorie von allem geben wird
    Allerdings fällt es mir schwer zu glauben, dass die Gravitation aus dieser Theorie wie ein buchhalterischer Fehler hervorgeht. Wahrscheinlicher ist sie, wie die anderen Kräfte, eine weitere seltsame Bosonen-Familie
    Auch der Artikel sagt, dass entropische Gravitation eine sehr kleine Minderheitsmeinung ist, aber nicht verschwindet und dass selbst Gegner zögern, sie völlig abzutun

• Als Experimentalphysiker versuche ich, mich nicht zu begeistern, solange eine neue Theorie diese Frage nicht anhand beobachtbarer Phänomene entscheiden kann.

  • Genau deshalb bin ich gegenüber Theorien im Stil von Wolfram skeptisch. Sie erzeugen allerlei bereits bekannte Theorien wie die spezielle Relativitätstheorie, Teile der Quantenmechanik und Gravitation, aber sie scheinen keine neu überprüfbaren Vorhersagen oder neuen fundamentalen Prinzipien zu liefern.
    Wenn aus einer Theorie 10 Vorhersagen hervorgehen und alle bereits bekannte Dinge sind, wirkt das wie Overfitting.
  • Das Problem solcher Emergenztheorien ist, dass sie Newtons Gravitation und die allgemeine Relativitätstheorie herleiten und dadurch unklar bleibt, was man eigentlich testen soll. Wenn sie MOND ohne zusätzliches MOND-Feld vorhersagen kann, dann ist sie nur in dem Maße falsifizierbar, wie MOND falsifizierbar ist.
  • Manchmal frage ich mich, wie wir unsere Theorien einem Stresstest unterzogen hätten, wenn unsere Physik die Existenz von Schwarzen Löchern nicht zugelassen hätte. Schwarze Löcher sind in der Kosmologie Objekte, die theoretischen Fortschritt ermöglichen, ähnlich wie Standardkerzen.
  • Von zwei Modellen hat das mit der kürzeren Minimum Description Length (MDL) wahrscheinlich die bessere Chance, zu generalisieren.
  • Ein Vorteil ist, dass man jede Menge interessante Mathematik betreiben kann, bis jemand zeigt, dass die Idee nicht funktionieren kann.

• Ich verstehe es nicht.
  Für mich ist Entropie keine physische Entität, sondern ein Maß für unser unvollständiges Wissen über ein System. Da wir nur die makroskopischen Eigenschaften von Materie messen können, sehe ich sie als eine Zahl, die eingeführt wurde, um zu quantifizieren, wie unvollständig diese makroskopischen Eigenschaften den tatsächlichen mikroskopischen Zustand des Systems beschreiben. Wenn man bis auf die mikroskopische Ebene hineinzoomen könnte, hätte Entropie meiner Meinung nach keine Bedeutung mehr.
  Deshalb verstehe ich nicht, wie Gravitation oder andere fundamentale physikalische Wechselwirkungen aus Entropie hervorgehen können. Ich halte sie nur für ein vom Menschen geschaffenes Konzept.

  • Diese Sichtweise ist falsch.
    Physikalische Entropie steuert reale physikalische Prozesse. Ein einfaches Beispiel ist, warum Eis in einem warmen Raum schmilzt; ein subtileres Beispiel ist, warum Kabel mit der Zeit verheddern.
    Der Messwert der Entropie kann als eine makroskopische Zusammenfassung des Zustands eines Systems wie eines warmen Raums mit Eis oder verhedderter Kabel betrachtet werden, ist aber nicht dasselbe wie das Phänomen, das dieser Messwert beschreibt.
    Die Boltzmann-Entropie macht den zweiten Hauptsatz ziemlich intuitiv. Weil es viel mehr Möglichkeiten gibt, wie ein System in einem ungeordneten Zustand sein kann, als in einem geordneten, tendiert es mit der Zeit zu höherer Entropie, und deshalb schmilzt Eis in einem warmen Raum.
  • Gute Frage. Es stimmt, dass Entropie im Kern immer eine Art ist, das Fehlen vollständigen Wissens über ein System zu beschreiben [0].
    Dennoch haben entropische Kräfte eine klare „Realität“, denn man kann sie im Labor tatsächlich messen. Wenn das nicht überzeugt, siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force, insbesondere https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain, das Beispiel, das beim Einstieg in dieses Thema immer verwendet wird.
    Aus dieser Perspektive ist Entropie nicht einfach etwas „Ausgedachtes“, sondern eine wirksame Art, beobachtete Phänomene zu beschreiben. Deshalb ist sie für effektive physikalische Gesetze nützlich, auch wenn sie kein fundamentales Gesetz ist. Tatsächlich bezeichnet auch die Wikipedia-Seite entropische Kräfte als „emergentes Phänomen“.
    Daher muss eine vernünftige Person, die an entropische Gravitation glaubt, Gravitation zwangsläufig als emergentes Phänomen bezeichnen. Außerdem müsste sie folgern, dass eine neue fundamentale Gravitationstheorie nötig ist, welche die probabilistische Interpretation der Entropie „wiederherstellt“.
    Interessant und exotisch ist entropische Gravitation deshalb, weil viele andere Suchen nach fundamentalen Theorien damit beginnen, Gravitation nahezu direkt zu quantisieren, so wie man klassische Mechanik quantisiert und zur Quantenmechanik gelangt. Entropische Gravitation hält das für den falschen Ansatz, so ähnlich, wie man nicht versuchen würde, das ideale Gasgesetz direkt zu quantisieren.
    [0] Auch in der Physik gibt es keine Entropie ohne Wahrscheinlichkeitsverteilung. Wer etwas anderes sagt, hat vermutlich nur Thermodynamik gelernt und keine statistische Mechanik, und steckt damit im 19. Jahrhundert fest.
  • Entropie ist keine Funktion unvollständigen Wissens. Sie ist eine Funktion der möglichen Zustände eines Systems und ihrer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die Quantenmechanik setzt, wie der Name sagt, voraus, dass die Realität auf der kleinsten Ebene quantisiert sein kann; daher ist es völlig angemessen, Entropie zur Beschreibung mikroskopischer Skalen anzuwenden.
  • Der Begriff „Entropie“, wie er in der Informatik verwendet wird, unterscheidet sich von der Verwendung in der Physik. In diesem hervorragenden Vortrag gibt es eine wirklich gute Erklärung: https://youtu.be/Kr_S-vXdu_I?si=1uNF2g9OhtlMAS-G&t=2213
  • Entropie ist eindeutig physikalisch „etwas“, insofern sie die Entwicklung eines Systems beeinflusst. Dass sie auf mikroskopischer Skala nicht existiert und deshalb keine physische Entität sei, könnte man mit derselben Logik auch auf Temperatur anwenden. Wenn man bis zu einem einzelnen Teilchen hineinzoomt, existiert auch Temperatur nicht.
    Es gibt keinen Grund, unser Wissen ins Spiel zu bringen. Entropie ist ein Maß für die Zahl der für ein gegebenes System möglichen Mikrozustände, und diese Zahl existiert unabhängig von uns.

• Ich glaube schon lange an entropische Gravitation und denke, dass sie auf Quantenschaum zurückgeht. In einem Bereich völlig leeren Raums wäre der Quantenschaum dieses Raums vollkommen gleichmäßig zufällig.
  Wenn Masse und Energie vorhanden sind, wird der Zustand des Raums verzerrt und weniger zufällig. Das erzeugt einen Entropiegradienten. Darüber hinaus erklärt das auch, warum der Raum zwischen Galaxien scheinbar negative Energie und Raumausdehnung aufweist, nicht nur Gravitation.
  Ich freue mich, dass es mehr Forschung zu entropischer Gravitation gibt, und halte sie für eine plausiblere Erklärung als die meisten anderen Gravitationstheorien, von denen ich gehört habe.

• Dass Lebewesen auf der Erde ihre Energie von der Sonne beziehen, weiß jeder.
  Aber das ist eine vereinfachte Erklärung für Kinder; tatsächlich nimmt Leben von der Sonne Photonen mit niedriger Entropie auf, verrichtet damit Arbeit und gibt anschließend Infrarot-Abwärme mit hoher Entropie ab. Energie bleibt erhalten, Entropie nimmt zu.
  Woher hatte die Sonne aber ursprünglich Photonen mit niedriger Entropie? Aus der Gravitation. Leerer, homogener Raum hat niedrige Entropie, und als die Sonne entstand, hat sie diese gewissermaßen „hochgepumpt“.
  Ich weiß nicht, warum das Downvotes bekommt, aber das ist die Erklärung, die der Physik-Nobelpreisträger Roger Penrose vorbringt: https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6

  • Weil mich diese Frage interessiert hat, habe ich nach „where did the Sun got its low entropy“ gesucht und bin auch auf solche Erklärungen gestoßen:
    „Der Grund, warum die Sonnenenergie, die die Erde erreicht, niedrige Entropie hat, ist, dass diese Energie am Himmel aus einem Bereich mit einem Winkeldurchmesser von 0,5 Grad kommt.“
    Eine andere Antwort sagt: „Sonnenlicht hat niedrige Entropie, weil die Sonne sehr heiß ist. Entropie ist im Grunde ein Maß dafür, wie stark Energie verteilt ist. Vergleicht man zwei Systeme mit derselben Wärmeenergie, ist das System, in dem die Energie stärker konzentriert ist – also das mit niedrigerer Entropie –, heißer.“
    https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
    Vermutlich stimmt beides bis zu einem gewissen Grad. Die Hypothese, dass die Sonne leeren Raum mit niedriger Entropie hochgepumpt habe, verstehe ich allerdings nicht wirklich. Ist die Sonne nicht aus Staub und Gas entstanden, die durch Explosionen früherer Sterne erzeugt wurden? Das scheint also eher fast das Gegenteil von niedriger Entropie zu sein.
  • Das ist eine Frage nach dem Ursprung der Inhomogenität des Universums. Die vorherrschende Theorie dürfte die kosmische Inflation sein. Die Erklärung lautet, dass im frühen Universum irgendein Quantenfeld in einem Zustand hoher Entropie war und die rasche Expansion des Raums kleine räumliche Inhomogenitäten dieses Feldes zu großräumigen Strukturen vergrößerte.
    Was wir als „niedrigentropische“ Strukturen wie Sterne sehen, könnten in Wahrheit auf größeren Skalen homogene Strukturen mit hoher Entropie sein; nur aus der Nähe betrachtet werden feinere Strukturen sichtbar.
  • Ein Photon selbst hat keine Entropie.
    Die Photonen von der Sonne sind heiß, und der Raum um die Sonne herum ist kalt, deshalb hat dieses System niedrige Entropie.
    Wäre der Raum um die Sonne herum so heiß wie die Photonen, wäre die Entropie hoch.
  • Die Photonen niedriger Entropie der Sonne stammen ursprünglich vom Urknall. Was den Urknall ausgelöst hat, wissen wir nicht.

• Die Idee, dass Gravitation ein emergentes Ergebnis davon sein könnte, wie Information im Universum funktioniert, ist interessant. Allerdings habe ich den Eindruck, dass es bislang keine klaren Belege dafür gibt, dass dieses Modell etwas anderes vorhersagt als die Allgemeine Relativitätstheorie.
  Im Moment ist es eine dieser Theorien, deren Erforschung Spaß macht, die man aber nur schwer vollständig akzeptieren kann.

• Die statistisch-mechanische Definition von Entropie hängt von der Zahl der möglichen Teilchenanordnungen in einem System ab. In einem geschlossenen System nähert sich die Entropie dem Gleichgewicht an, was reißerisch als „Wärmetod des Universums“ beschrieben wurde.
  Da wir aber wissen, dass unser Universum expandiert, nimmt auch die Zahl der möglichen Anordnungen zu, sodass die Entropie möglicherweise nie ein Gleichgewicht erreicht. Wenn das Universum schneller expandiert, als seine Bestandteile umverteilt werden, könnte die Entropie sogar abnehmen.
  Berücksichtigt man das, würde eine Theorie, die Entropie als Bestandteil der Gravitation einbezieht, darauf hindeuten, dass sich die Gravitation im Lauf der Zeit verändert.

• Dieser Effekt erinnert an hydrophobe Wechselwirkungen, wie man sie bei der Modellierung biologischer Systeme verwendet. Zum Beispiel an die Tendenz hydrophober Reste, sich im Inneren eines Proteins zu befinden.

• Dieser Artikel, den ich vor ein paar Jahren gelesen habe, war wirklich gut. Die Domain scheint nicht mehr aktiv zu sein, aber der Inhalt ist eine gute Einführung, und die meisten externen Links funktionieren noch.
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