- Kürzlich haben theoretische Physiker ein Modell vorgestellt, das Gravitation als Ergebnis zufälliger Wechselwirkungen mikroskopischer Teilchen, also einer Zunahme der Entropie, betrachtet
- Dieses Modell konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Entropie und Gravitation und untersucht einen alternativen Ansatz zu bestehenden Gravitationstheorien
- Das Modell der entropischen Gravitation liefert experimentell überprüfbare Vorhersagen und deutet darauf hin, dass Gravitation keine fundamentale Kraft, sondern ein kollektives Phänomen ist
- Allerdings erklärt dieses Modell nur Newtons Gravitationsgesetz und erfasst nicht die tieferen Eigenschaften der Allgemeinen Relativitätstheorie, wie etwa die Krümmung der Raumzeit
- Die neue Theorie ist auch mit Quantenüberlagerung und dem Kollaps der Wellenfunktion verknüpft und bietet Hinweise für die Erforschung der Quantengravitation und der Natur der Gravitation
Newton, Einstein und die Neuinterpretation der Gravitation
- Isaac Newton war über die Natur der Gravitation im Unklaren, und schon damals versuchten verschiedene Gelehrte, Gravitation nicht als tatsächlich „ziehende“, sondern als „drückende“ Kraft zu deuten
- Albert Einstein erklärte Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit, doch auch das war keine vollständige Erklärung
- Die Deutung, dass Gravitation ein emergentes Phänomen aus dem kollektiven Effekt mikroskopischer Teilchen, also einer Art „Schwarmverhalten“, ist, bleibt für viele Physiker weiterhin von großem Interesse
Die moderne Wiederbelebung der Theorie der entropischen Gravitation
- Vor Kurzem stellte ein Team theoretischer Physiker um Daniel Carney ein Modell vor, nach dem im Universum ein unsichtbares thermisches System existiert, durch das sich sämtliche uns bekannten Gravitationsphänomene erklären lassen könnten
- Dieser Ansatz wird als „entropische Gravitation“ bezeichnet und behandelt Gravitation als Wärmephysik
- Entropische Gravitation erklärt, dass Gravitation nach demselben Prinzip entsteht wie die Zunahme der Entropie durch zufällige Bewegung und Durchmischung von Teilchen, wie man sie etwa aus Heizkesseln, Automotoren oder Kühlschränken kennt
Die Verbindung zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Entropie
- Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert elegante und präzise Vorhersagen, stößt jedoch an Singularitäten wie im Inneren schwarzer Löcher an ihre Grenzen
- Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt schwarze Löcher als Objekte, die nur wachsen, nicht schrumpfen, und nur absorbieren, nicht abstrahlen — also mit entropieartigen Eigenschaften
- In der quantenmechanischen Beschreibung kommt es bei schwarzen Löchern zu thermischer Emission (Hawking-Strahlung), was darauf hindeutet, dass schwarze Löcher oder die Raumzeit selbst tatsächlich aus mikroskopischen Teilchen oder Bestandteilen bestehen könnten
Das holografische Prinzip und Jacobsons Ansatz
- Das holografische Prinzip erklärt, dass Muster, die von mikroskopischen Teilchen erzeugt werden, zusätzliche Dimensionen hervorbringen, aus denen Gravitation auf natürliche Weise entsteht
- Ted Jacobson leitete unter der Annahme, dass die Raumzeit eigene thermische Eigenschaften besitzt, daraus die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie her
- Dieser Ansatz betont die tiefe Verbindung zwischen Gravitation und Wärme
Das konkrete Modell von Carney und Kollegen
- Erstes Modell: Der Raum besteht aus einem Kristallgitter von Quantenteilchen (Qubits), und ein massereiches Objekt ordnet benachbarte Qubits neu an, sodass ein geordneter Bereich entsteht (Abnahme der Entropie)
- Je näher zwei Massen einander kommen, desto stärker entsteht der Effekt, dass sie sich anziehen, um die Entropie des Gesamtsystems zu erhöhen
- Dieser Effekt nimmt mit der Entfernung genauso ab wie in Newtons Gravitationsgesetz
- Zweites Modell: Die Qubits sind nicht an bestimmte Positionen gebunden und beeinflussen Massen nichtlokal
- Verändert sich der Abstand zwischen zwei Massen, ändert sich die Energie, die jedes Qubit speichern kann → dadurch steigt die Entropie des Systems, wenn sich die Massen annähern
Stärken und Grenzen
- Für beide Modelle gibt es keine unabhängigen Belege für die tatsächliche Existenz solcher Qubits, zudem ist eine Feinabstimmung von Stärke und Richtung der Kraft nötig
- Zentrale Eigenschaften der Gravitation wie die Raumzeitkrümmung der Allgemeinen Relativitätstheorie oder die Schwerelosigkeit im freien Fall können sie nicht erklären
- Sie erklären nur den schwachen Gravitationsbereich nach Newton und besitzen kaum Erklärungskraft für starke Gravitationsfelder wie bei schwarzen Löchern
- Die Modelle haben den Charakter eines Machbarkeitsnachweises und sind in ihrer jetzigen Form nur begrenzt geeignet, das reale Universum zu modellieren
Experimentelle Überprüfung und Bedeutung
- Der größte Vorteil der Theorie ist, dass sie überprüfbare Vorhersagen liefert
- Wenn sich ein massereiches Objekt beispielsweise in einem Zustand der Quantenüberlagerung befindet und gleichzeitig an zwei Orten existiert, sagt das Modell voraus, dass die Qubits diesen Zustand kollabieren lassen
- Das steht in Verbindung mit dem Kollaps der Wellenfunktion, und derzeit laufen Versuche, solche Kollapsmodelle experimentell zu überprüfen
- Da noch nicht geklärt ist, ob Gravitation tatsächlich holografisch entsteht, bleibt auch die Möglichkeit eines entropischen Ursprungs wissenschaftlich lohnend
Fazit und Implikationen
- Obwohl die Theorie der entropischen Gravitation weiterhin eine Minderheitenposition ist, liefert sie neue experimentelle Richtungen und Fragen für das grundlegende Verständnis der Gravitation
- Sollte sich diese Theorie als richtig erweisen, müsste Gravitation nicht mehr als Gesetz, sondern als statistische Tendenz neu interpretiert werden
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Ich würde entropische Gravitation gern mit dem "Brazil-Nut-Effekt" vergleichen.
Der Brazil-Nut-Effekt ist das Phänomen, dass in einem Glas mit Nüssen unterschiedlicher Größe die großen Nüsse (Paranüsse) nach oben steigen, wenn man das Glas schüttelt.
Man kann das so deuten, dass die großen Nüsse wegen ihres höheren Gewichts beim Schütteln langsamer bewegt werden und die kleinen Erdnüsse die leeren Räume darunter auffüllen.
In Theorien der entropischen Gravitation nimmt man an, dass es eine Grunddichte von Teilchen gibt, die ein Objekt zufällig von allen Seiten stark treffen.
Kommen zwei große Massen einander nahe, sinkt die Teilchendichte zwischen ihnen, sodass es so aussieht, als würden sie sich gegenseitig anziehen.
Die Erklärung lautet also, dass die Teilchen eine Art Schatteneffekt erzeugen.
Allerdings halte ich die Annahme über die Dichte, mit der die Teilchen mit großen Objekten wechselwirken, für schwer überzeugend zu begründen.
Es wäre schön, wenn jemand mit mehr Ahnung auf Fehler hinweisen könnte.
Der Brazil-Nut-Effekt ist ein tatsächlich beobachtbares Phänomen.
Wenn man Rosinen herausbekommen will, schüttelt man das Müsli, und auch im Katzenklo kommt beim Schütteln das Geschenk nach oben.
Unter den folgenden Links gibt es eine passende Wikipedia-Erklärung zur granular convection und ein YouTube-Video.
Ich bin auch kein Physiker, aber dabei musste ich an eine Stelle aus den Feynman Lectures denken, die mit der obigen Erklärung zu tun hat.
Link zum Original der Feynman Lectures
Der Kern ist, dass dort eine von mehreren Hypothesen zur Erklärung der Gravitation beschrieben wird, bei der angenommen wird, dass sich Teilchen mit sehr hoher Geschwindigkeit in alle Richtungen bewegen und nur geringfügig absorbiert werden.
Diese Teilchen treffen auf die Erde; wenn das aus allen Richtungen gleichmäßig geschieht, herrscht Gleichgewicht.
Ist aber die Sonne in der Nähe, werden einige der aus dieser Richtung kommenden Teilchen von der Sonne absorbiert, sodass weniger Teilchen von dort eintreffen.
Dadurch scheint die Erde am Ende zur Sonne hingezogen zu werden, aber in Wirklichkeit kann diese Theorie nicht stimmen.
Wenn sie richtig wäre, würde die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne von vorn mehr Teilchen treffen, also Widerstand erfahren und bald zum Stillstand kommen.
Mit diesem Mechanismus könnte die Erde im realen Universum keine langfristig stabile Umlaufbahn behalten.
Der Punkt ist also: Viele Leute haben sich so eine Gravitationsmaschine ausgedacht, aber sie führt zwangsläufig zu falschen Vorhersagen und funktioniert deshalb nicht.
Dieses YouTube-Video erklärt Granularphysik besser.
Die Geschwindigkeit der Vibration (Amplitude) zeigt, dass sich Teilchen auf unerwartete Weise anordnen.
Bei geringer Vibration verhält es sich ähnlich wie Newtonsche Gravitation, bei schnellerer Vibration treten Phänomene auf, die eher MOND-Gravitation ähneln.
Es entstehen sogar Galaxien und große Voids, was theoretisch auch ohne dunkle Materie erklärbar sein könnte.
Nach der entropischen Interpretation gibt es X probabilistisch gleichwertige Zustände, und wenn es viele Zustände gibt, die eine bestimmte Bedingung am besten erfüllen, dann ist der nächste Zustand mit höherer Wahrscheinlichkeit einer davon.
Ein Beispiel: Wirft man N Münzen, gibt es 2^N mögliche Zustände.
Dass alle Münzen Kopf zeigen, ist genau ein Zustand.
Kombinationen mit halb Kopf und halb Zahl gibt es viel häufiger, daher gibt es für großes N überwältigend viele solcher "makroskopischen" Zustände mit im Mittel halb Kopf.
Entropie beschreibt die Tendenz eines Systems, sich natürlich in Richtung solcher makroskopisch vielfach möglicher Zustände zu bewegen.
Ich habe Zweifel an der Erklärung "Das große Objekt hat mehr Masse und bewegt sich deshalb beim Schütteln langsamer".
Wenn sich das große Objekt langsamer bewegt, könnte man aus Sicht der Beschleunigung des Behälters nicht auch sagen, dass es sich schneller bewegt?
Die alltagsnahe Erklärung, wie ich sie verstehe, ist: Beim Schütteln entstehen kurzzeitig kleine Hohlräume, und kleinere Objekte haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, diese Räume zu füllen und dadurch nach unten zu rutschen.
Sind massereichere Teilchen in Wirklichkeit nicht eher kleiner, zumindest gemessen an der de-Broglie-Wellenlänge? Dann müssten sie doch auch einen kleineren "Schatten" werfen, oder?
Vielleicht ist der Zusammenhang zwischen "Größe" und Masse bei anderen Wechselwirkungen anders, sodass etwa bei der Gravitation die Teilchengröße proportional zur Masse ist? Das verwirrt mich.
Und noch eine weitere Frage: Wenn im Einstieg in QM die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeitsamplitude des Ortes beschreibt, wenn mit einem "Photon" gemessen wird, würde sich die Interpretation des "Ortes" eines Teilchens völlig ändern, wenn man stattdessen über eine andere Wechselwirkung wie etwa das Z-Boson misst?
In der statistischen Mechanik wird Entropie durch die Zahl möglicher Anordnungen der Teilchen in einem System definiert.
In einem geschlossenen System nähert sich die Entropie einem Gleichgewichtszustand an, der dramatisch als "Wärmetod" (heat death) beschrieben wird.
Das Universum expandiert jedoch, daher nimmt die Zahl möglicher Anordnungen beziehungsweise Zustände weiter zu.
Wenn sich das Universum schneller ausdehnt, als seine Bestandteile umverteilt werden, könnte die Entropie sogar abnehmen.
Aus dieser Sicht könnten Theorien, in denen Entropie ein Kernelement der Gravitation ist, vorhersagen, dass sich die Gravitation im Lauf der Zeit verändert.
Ich halte entropische Gravitation für ein attraktives Framework.
Viele Physiker hoffen, dass eine "noch unentdeckte Theorie von allem" mikroskopisch und quantenmechanisch ist und dass die extrem schwache Gravitation daraus fast wie ein buchhalterischer Fehler hervorgeht.
Aber solche Theorien beruhen im Grunde auf so vielen Annahmen, dass man selbst dann nur schwer sofort überzeugt ist, wenn jemand sagt: "Seht her, die Einstein-Gleichungen kommen heraus."
Jacobson hat gezeigt, dass sich die allgemeine Relativität aus Thermodynamik und spezieller Relativität ableiten lässt, und diese beiden Voraussetzungen sind selbst schon so allgemein, dass ich mich frage, was man überhaupt noch zusätzlich verlangen sollte.
Mich würde interessieren, welche Annahmen du persönlich für problematisch hältst.
So wie ich den Artikel verstehe, ist man auf dem dort beschriebenen Niveau noch nicht bei den Einstein-Gleichungen, sondern eher bei klassischer Newtonscher Gravitation.
Der Aussage "Eine noch unentdeckte Theorie von allem wird wohl mikroskopisch und quantenartig sein" stimme ich zu.
Bei der Idee, dass "Gravitation wie ein Buchhaltungsfehler aus der Theorie entsteht", glaube ich eher, dass es sich um eine weitere seltsame Boson-Familie, also um Teilchenform, handeln wird.
Aus dem Artikel:
"Entropische Gravitation ist noch immer eine Minderheitsposition, aber keine Idee, die einfach wieder verschwindet, und selbst ihre Kritiker können sie nicht vollständig ignorieren."
Ich bin Experimentalphysiker, und bevor ich mich für eine neue Theorie begeistere, muss ich immer erst sehen, ob sie zu Vorhersagen über beobachtbare Phänomene führt.
Deshalb bin ich auch bei Theorien wie denen von Wolfram skeptisch.
Selbst wenn sie viele bestehende Theorien erklären — spezielle Relativität, Teile der Quantenmechanik, Gravitation und so weiter — halte ich das ohne neue überprüfbare Vorhersagen oder ein Fundament für Overfitting.
Wenn eine Theorie in zehn Vorhersagen perfekt mit der Realität übereinstimmt, aber alle zehn schon bekannt waren, ist von Neuheit wenig zu erwarten.
Diese emergenten Theorien leiten Newtonsche Gravitation oder allgemeine Relativität her, aber es ist nicht klar, was man experimentell tatsächlich testen kann.
Wenn sie MOND (Modified Newtonian Dynamics) ohne ein separates MOND-Feld vorhersagen würden, dann wären sie zumindest auf dem Validierungsniveau von MOND falsifizierbar.
Manchmal frage ich mich, wie wir unsere Theorien einem Stresstest unterzogen hätten, wenn unsere Physik die Existenz von Schwarzen Löchern gar nicht erlaubt hätte.
Ich denke, Schwarze Löcher spielen in der Kosmologie eine ähnlich wichtige Rolle für den theoretischen Fortschritt wie "Standardkerzen".
Realistisch betrachtet sollte man es bis zum Nachweis praktischer Nützlichkeit als vergnügliche mathematische Knobelei ansehen.
Es wird behauptet, dass von zwei Modellen das mit der kürzeren "Minimum Description Length" (MDL) mit höherer Wahrscheinlichkeit besser generalisiert.
Ich denke, Magnetismus liegt näher an Gravitation.
Das sage ich seit Jahren, und ich habe das Gefühl, dass sich meist ungeordnete Magnetfelder zu einem winzigen Nettoeffekt addieren, der anziehend wirkt.
Ich verstehe das nicht so recht.
Für mich ist Entropie kein reales physikalisches Phänomen, sondern eine Quantifizierung unserer Unvollständigkeit, wenn wir über ein System nicht alles perfekt wissen.
Wir beobachten nur die makroskopischen Eigenschaften von Materie und haben daher einen Maßstab geschaffen, der die mikroskopische Realität nicht vollständig erfasst.
Wenn wir die mikroskopische Welt mit einem Mikroskop perfekt kennen könnten, würde der Begriff Entropie selbst bedeutungslos werden.
Deshalb kann ich nicht nachvollziehen, wie Gravitation oder andere fundamentale Wechselwirkungen aus Entropie hervorgehen sollen.
Für mich ist Entropie ein vom Menschen geschaffenes Konzept.
Das ist ein Missverständnis.
Physikalische Entropie bestimmt reale Phänomene.
Beispiele sind, dass Eis in einem warmen Raum schmilzt oder dass sich Kabel mit der Zeit immer mehr verheddern.
Wenn wir Entropie messen, fassen wir nur makroskopische Zustände wie Eis im Raum oder ein verheddertes Kabel zusammen.
Entropie im Sinne von Boltzmann erklärt die Tendenz steigender Entropie dadurch, dass die Zahl der "ungeordneten" Anordnungen überwältigend viel größer ist.
Deshalb schmilzt Eis zwangsläufig.
Entropie ist ebenso wie Temperatur eine physikalische "Realität".
Dass Temperatur auf Ebene eines einzelnen Teilchens nicht existiert, bedeutet nicht, dass sie deshalb keine physikalische Größe wäre.
Entropie misst die Anzahl der Mikrozustände eines bestimmten Systems, und diese Zahl existiert unabhängig vom Beobachter.
Im Kern ist Entropie trotzdem eine Quantifizierung unserer "Unwissenheit", weil wir ein System nie vollständig kennen.
Dennoch kann man im Labor tatsächliche Phänomene einer "entropischen Kraft" messen.
Empfehlenswert sind die Wikipedia-Erklärung zu entropischer Kraft und das Beispiel der ideal chain.
Aus dieser Sicht ist Entropie nicht bloß eine vom Menschen erfundene Rechenmethode, sondern erklärt beobachtete Phänomene effektiv und ist damit ein nützliches, wenn auch nicht fundamentales Gesetz der Physik.
Wenn man an entropische Gravitation glaubt, unterstützt man damit die These, dass Gravitation ein emergentes Phänomen ist, und kommt letztlich zu dem Schluss, dass eine noch fundamentalere Gravitationstheorie nötig ist.
Bestehende Forschung versucht oft, Gravitation direkt zu quantisieren, während entropische Gravitation eher so argumentiert, dass man nicht gewaltsam die Zustandsgleichung eines Gases quantisieren sollte.
Ergänzend: Eine "Entropie ohne Wahrscheinlichkeitsverteilung" kann es nicht geben. Entropie einfach als "reale Größe" zu bezeichnen, ist eine Sichtweise des 19. Jahrhunderts.
Die in der Informatik verwendete Entropie und der Entropiebegriff in der Physik sind nicht dasselbe.
Empfehlenswert ist dieser Vortrag, der den Unterschied gut erklärt.
Früher dachte ich auch, Entropie sei bloß eine Frage der Grenzen unserer Erkenntnis, aber inzwischen glaube ich wegen des Heisenbergschen Unschärfeprinzips, dass wir Mikrozustände grundsätzlich nie vollständig kennen können.
Alle Ereignisse sind im Grunde irreversibel, und die Entropie nimmt immer zu.
Vollkommenheit ist nur innerhalb einer Theorie möglich.
Die Idee, dass Gravitation je nachdem emergiert, wie Information funktioniert, ist attraktiv.
Ich habe allerdings noch keine klaren Belege dafür gesehen, dass dieses Modell andere Phänomene vorhersagt als die allgemeine Relativitätstheorie.
Im Moment ist es eine Theorie, über die man interessant diskutieren kann, aber vollständig akzeptieren kann ich sie noch nicht.
Ich frage mich, ob Wolframs hypergraphbasiertes Physikmodell mit dieser Sicht kompatibel ist.
In diesem Rahmen könnte Gravitation als ein aus dem statistischen Verhalten der Hypergraph-Evolution emergierendes Phänomen erscheinen, und man könnte sie vielleicht als "entropische Kraft" interpretieren, die aus der Tendenz des Systems zur Minimierung der rechnerischen Komplexität entsteht.
Interessanter Fall von emergent fox-treasure gravity im Spiel Skyrim.
Zugehöriger Artikel
Kurz gesagt: Gebiete mit Schätzen weisen entlang der zufälligen Bewegungswege der Füchse eine höhere "Entropie" auf, sodass die Füchse unbeabsichtigt eher in Richtung Schatz laufen.
Wenn es entropische Gravitation ist, ist sie dann nicht eher so etwas wie Auftrieb?