- Son dönemde kuramsal fizikçiler, yerçekimini mikroskobik parçacıkların rastgele etkileşimlerinin, yani entropi artışının bir sonucu olarak gören modeller ortaya koydu
- Bu modeller, entropi ile yerçekimi arasındaki ilişkiye odaklanarak mevcut yerçekimi kuramlarına alternatif bir yaklaşımı araştırıyor
- Entropik yerçekimi modeli, sınanabilir deneysel öngörüler sunuyor ve gerçek yerçekiminin temel bir kuvvet değil, kolektif bir olgu olabileceğine işaret ediyor
- Ancak bu model yalnızca Newton’un kütleçekim yasasını açıklıyor; genel görelilik kuramındaki uzay-zaman eğriliği gibi daha derin özellikleri içermiyor
- Yeni teori, kuantum süperpozisyonu, dalga fonksiyonu çökmesi gibi kavramlarla da bağlantı kurarak kuantum kütleçekimi teorisi ve yerçekiminin doğasına dair araştırmalara ipucu sunuyor
Newton, Einstein ve yerçekiminin yeniden yorumlanması
- Isaac Newton, yerçekiminin doğası konusunda kafa karışıklığı yaşıyordu; o dönemde birçok düşünür yerçekimini gerçekte bir 'çekme kuvveti' değil, bir 'itme kuvveti' olarak yorumlamaya çalıştı
- Albert Einstein, yerçekimini uzay ve zamanın çarpılması olarak açıkladı, ancak bu da tam bir açıklama değildi
- Yerçekiminin mikroskobik parçacıkların kolektif etkisi, yani bir tür 'sürü davranışı'ndan ortaya çıkan bir olgu olduğu yorumu hâlâ birçok fizikçinin ilgisini çekiyor
Entropik yerçekimi teorisinin modern dönüşü
- Yakın zamanda Daniel Carney ve diğer kuramsal fizikçilerden oluşan bir ekip, evrende görünmez bir termal sistemin var olduğu ve bizim bildiğimiz tüm yerçekimi olgularının bununla açıklanabileceği bir model sundu
- Bu yaklaşım 'entropik yerçekimi' olarak adlandırılıyor ve yerçekimini ısı (heat) fiziği kapsamında ele alıyor
- Entropik yerçekimi; kazanlar, otomobil motorları ve buzdolaplarında görüldüğü gibi, parçacıkların rastgele hareketi ve karışımıyla entropinin artmasıyla aynı ilke üzerinden yerçekiminin ortaya çıktığını savunuyor
Genel görelilik ile entropi arasındaki bağlantı
- Genel görelilik kuramı zarif ve doğru öngörüler sunuyor, ancak kara deliğin içi gibi tekilliklerde açıklama gücünü yitiriyor
- Genel görelilik kuramına göre kara delikler yalnızca büyür, küçülmez; yalnızca soğurur ve yaymaz; bu da entropik olgulara benzerlik taşır
- Kuantum mekaniğiyle açıklandığında kara deliklerde termal yayımın (Hawking radyasyonu) ortaya çıkması, kara deliklerin ya da uzay-zamanın gerçekten mikroskobik parçacıklardan veya bileşenlerden oluşuyor olabileceğine işaret ediyor
Holografi ilkesi ve Jacobson’ın yaklaşımı
- Holografi ilkesi, mikroskobik parçacıkların oluşturduğu desenlerin ek bir boyut yaratarak yerçekiminin doğal biçimde ortaya çıkmasını açıkladığını öne sürüyor
- Ted Jacobson, uzay-zamanın kendine özgü termal özelliklere sahip olduğu varsayımından yola çıkarak genel görelilik denklemlerini türetti
- Bu yaklaşım, yerçekimi ile ısı arasındaki derin ilişkiyi vurguluyor
Carney ve ekibinin somut modelleri
- Birinci model: Uzayın kuantum parçacıklarından (kübitlerden) oluşan kristal bir kafesten meydana geldiği ve kütleli cisimlerin yakındaki kübitleri yeniden düzenleyerek düzenli bir bölge (entropi azalması) oluşturduğu varsayılıyor
- İki kütle birbirine yaklaştıkça, tüm sistemin entropisini artırmak için kütlelerin birbirini çekiyormuş gibi görünmesine yol açan bir etki ortaya çıkıyor
- Bu etki, Newton’un kütleçekim yasasında olduğu gibi mesafeyle birlikte zayıflıyor
- İkinci model: Kübitler belirli konumlara bağlı değil ve kütleleri yerel olmayan şekilde etkiliyor
- İki kütle arasındaki mesafe değiştiğinde her bir kübitin depolayabileceği enerjinin değişmesi → kütleler yaklaştıkça sistemin entropisinin artmasını sağlıyor
Güçlü yönler ve sınırlamalar
- Her iki modelde de gerçek kübitlerin varlığına dair bağımsız kanıt yok; ayrıca kuvvetin şiddeti ve yönü için ince ayar gerekiyor
- Genel görelilik kuramındaki uzay-zaman eğriliği ya da serbest düşüşte yerçekiminin hissedilmemesi gibi temel yerçekimi özelliklerini açıklayamıyor
- Yalnızca Newtoncu zayıf yerçekimi rejimini açıklıyor; kara delikler gibi güçlü yerçekimi alanlarında açıklama gücü zayıf
- Modeller, ilke kanıtı düzeyinde; gerçek evreni modellemek için şimdilik yetersiz kalıyor
Deneysel doğrulama ve anlamı
- Teorinin en büyük avantajı, sınanabilir öngörüler sunması
- Örneğin bir kütleli cismin aynı anda iki konumda bulunduğu kuantum süperpozisyonu durumunda, bu model kübitlerin bu durumu çökerteceğini öngörüyor
- Bu, dalga fonksiyonu çökmesi olgusuyla bağlantılı ve şu anda bu tür çökme modellerini deneysel olarak sınamaya yönelik çalışmalar sürüyor
- Gerçek yerçekiminin holografik biçimde ortaya çıkıp çıkmadığı henüz kesinleşmemiş olsa da, entropik bir köken olasılığı araştırılmaya değer görülüyor
Sonuç ve çıkarımlar
- Entropik yerçekimi teorisi hâlâ azınlıkta kalan bir görüş olsa da, yerçekiminin özüne dair anlayış için yeni deneysel yönelimler ve sorular sunuyor
- Eğer bu teori doğruysa, yerçekimi artık bir yasa olarak değil, istatistiksel bir eğilim olarak yeniden yorumlanmak zorunda kalabilir
1 yorum
Hacker News görüşü
Entropik kütleçekimini "Brezilya fındığı etkisi"ne benzeterek açıklamak istiyorum
Brezilya fındığı etkisi, farklı boyutlarda kuruyemişleri bir kavanoza koyup salladığınızda büyük kuruyemişlerin (Brezilya fındıklarının) üste çıkması olayıdır
Bu, büyük kuruyemişlerin daha ağır oldukları için sallanırken daha yavaş hareket etmesi ve küçük yer fıstıklarının alttaki boşlukları doldurması sonucu ortaya çıkıyormuş gibi yorumlanabilir
Entropik kütleçekimi teorisinde, parçacıkların bir nesneye her yönden sertçe çarptığı temel bir yoğunluk olduğu varsayılır
İki büyük kütle birbirine yaklaştığında aralarındaki parçacık yoğunluğu azalır ve bu da sanki birbirlerini çekiyorlarmış gibi görünür
Yani parçacıklar bir tür gölge oluşturuyormuş gibi açıklanır
Ancak parçacıkların büyük cisimlerle etkileşim yoğunluğuna dair bu varsayımın ikna edici biçimde kurulmasının zor olduğunu düşünüyorum
Bu konuda daha bilgili biri varsa hatamı düzeltmesini isterim
Brezilya fındığı etkisi gerçekten gözlemlenebilen bir etkidir
Kuru üzümü yukarı çıkarmak istiyorsanız gevreği sallayın; kedi kumunda da sallarsanız sürprizler üste çıkar
Aşağıdaki bağlantılardan ilgili Wikipedia granular convection açıklamasına ve YouTube videosuna bakabilirsiniz
Ben de fizikçi değilim ama yukarıda anlatılanlarla ilgili olarak Feynman derslerinden bir bölüm aklıma geliyor
Feynman derslerinin orijinal bağlantısı
Özeti şu: Kütleçekimini açıklamaya çalışan çeşitli hipotezlerden birini anlatırken, parçacıkların her yönde çok yüksek hızlarla hareket ettiği ve yalnızca çok küçük ölçüde soğurulduğu varsayılıyor
Bu parçacıklar Dünya'ya çarpıyor ve her yönden eşit geliyorlarsa denge oluşuyor
Ama Güneş yakın olduğunda, Güneş yönünden gelen parçacıkların bir kısmı soğurulduğu için o taraftan gelen incoming parçacık sayısı azalıyor
Böylece Dünya sanki Güneş'e doğru çekiliyormuş gibi görünüyor, ama gerçekte bu teori doğru değil
Eğer doğru olsaydı, Dünya Güneş'in etrafında dönerken ön taraftan daha fazla parçacık çarpacağı için bir sürüklenme yaşayacak ve kısa sürede duracaktı
Bu mekanizma ile gerçek evrende Dünya gibi uzun süre yörüngede kalmak mümkün olmazdı
Yani birçok kişi bu tür bir kütleçekim makinesini hayal etmiş ama hepsi kaçınılmaz olarak yanlış öngörüler üretmiş; bu yüzden teori geçerli değil
Bu YouTube videosu granüler fiziği daha iyi açıklıyor
Titreşimin hızı (genliği) parçacıkların beklenmedik biçimde dizilmesine yol açabiliyor
Düşük titreşimlerde Newton kütleçekimine benzer davranırken, daha hızlı titreşimlerde MOND kütleçekimine benzeyen olgular görülüyor
Galaksiler ve büyük boşluklar da oluşuyor; teorik olarak karanlık madde olmadan da açıklanabileceği söyleniyor
Entropi yorumuna göre, olasılık bakımından eşdeğer X adet durum vardır ve belli koşulları en çok sağlayan durumların sayısı fazlaysa, bir sonraki durumun o tarafa gitme olasılığı daha yüksektir
Örneğin N tane madeni para atıldığında olası durum sayısı 2^N olur
Hepsinin tura gelmesi yalnızca tek bir durumdur
Yarısının tura yarısının yazı geldiği kombinasyonlar ise çok daha fazladır; dolayısıyla N büyüdükçe ortalama olarak yarısının tura geldiği bu 'makroskopik' durum ezici biçimde baskın hale gelir
Entropi, sistemlerin doğal olarak bu tür 'makroskopik olarak çok sayıda mümkün olan durumlar'a yönelme eğiliminde olduğunu söyler
"Büyük cisim daha büyük kütleye sahip olduğu için sallandığında daha yavaş hareket eder" açıklamasından emin değilim
Eğer büyük cisim daha yavaş hareket ediyorsa, kabın ivmelenmesi açısından bakıldığında aslında daha hızlı hareket ediyor sayılmaz mı?
Gündelik açıklama olarak benim anladığım şu: Sallayınca kısa süreli boşluklar oluşuyor ve daha küçük cisimlerin bu küçük boşlukları doldurup aşağı kayma olasılığı daha yüksek oluyor
Daha büyük kütleli parçacıkların aslında daha küçük olmadığını mı düşünüyoruz (de Broglie dalga boyu açısından)? O zaman oluşturdukları 'gölge' de daha küçük olmaz mı diye merak ediyorum
Belki başka etkileşimlerde parçacığın 'boyutu' ile kütlesi arasındaki ilişki farklıdır; örneğin kütleçekiminde parçacık boyutu kütleyle orantılı mıdır, bu konuda kafam karışık
Ayrıca kuantum mekaniğinin giriş seviyesinde wavefunction'ın bir 'foton' ile ölçüldüğünde konum olasılık genliğini anlattığı söyleniyorsa, bunu Z bozonu gibi başka bir etkileşimle ölçseydik parçacığın 'konum' yorumu tamamen farklı olur muydu, bunu da merak ediyorum
İstatistiksel mekanikte entropinin tanımı, sistem içindeki parçacıkların mümkün düzenleniş sayısına dayanır
Kapalı bir sistemde entropi, dramatik biçimde 'ısı ölümü' (heat death) diye anılan denge durumuna yaklaşır
Ancak evren genişlediği için mümkün düzenlenişlerin sayısı da sürekli artar
Eğer evrenin genişleme hızı, bileşenlerin yeniden dağılım hızından büyükse entropi azalabilir
Bu açıdan bakınca, entropinin kütleçekiminde temel rol oynadığı teoriler zaman içinde kütleçekiminin değiştiğini öngörebilir
Entropik kütleçekiminin çekici bir çerçeve olduğunu düşünüyorum
Pek çok fizikçi, 'henüz keşfedilmemiş her şeyin teorisi'nin mikroskopik ve kuantum mekanik olması, son derece zayıf olan kütleçekiminin de sanki muhasebe hatası gibi o teoriden türemesi fikrini seviyor
Ama bu tür teoriler baştan çok fazla varsayıma dayandığı için, "bakın, Einstein denklemleri çıktı" dendiğinde buna kolayca inanmak zor oluyor
Jacobson, termodinamik ile özel göreliliği birleştirince genel göreliliğin türetilebildiğini göstermişti; ama bu iki koşul o kadar genel ki daha ne istemek gerekir emin olamıyorum
Kişisel olarak hangi varsayımların sorunlu görüldüğünü merak ediyorum
Makalede anlatılan düzeyde bunun henüz Einstein denklemlerine değil, klasik Newton kütleçekimine kadar gittiğini anlıyorum
"Henüz keşfedilmemiş her şeyin teorisinin mikroskopik ve kuantum olacağı" fikrine katılıyorum
"Kütleçekiminin muhasebe hatası gibi teoriden çıktığı" fikrine ise pek katılmıyorum; bana daha çok başka bir tuhaf bozon ailesiymiş gibi geliyor
Yazıdan bir bölüm:
"Entropik kütleçekimi hâlâ azınlık görüşü olsa da, kolayca ortadan kaybolacak bir fikir değil ve eleştirmenleri bile onu tamamen göz ardı edemiyor"
Ben deneysel fizikçiyim; bu yüzden yeni bir teoriye heyecanlanmadan önce onun gözlemlenebilir olgulara dair öngörüler üretip üretmediğine mutlaka bakarım
Bu yüzden Wolfram benzeri teorilere de kuşkuyla yaklaşıyorum
Çok sayıda mevcut teoriyi (özel görelilik, kuantum mekaniğinin bir kısmı, kütleçekimi vb.) açıklasa bile, eğer yeni ve test edilebilir öngörüler ya da temel bir açıklama getirmiyorsa buna 'overfit' derim
Bir teori 10 öngörüsünün tamamında gerçekle uyuşsa bile, bunların hepsi zaten bildiğimiz şeylerse ondan yeni bir şey beklemek zordur
Bu tür emergent (ortaya çıkan) teoriler Newton kütleçekimini ya da genel göreliliği türetiyor ama deneysel olarak gerçekten neyi test edebileceğimiz pek net değil
Eğer MOND'u ayrı bir MOND alanı eklemeden öngörebiliyorsa, ancak o zaman MOND'un test edilebilirliği düzeyinde yanlışlanabilir diyebiliriz
Bazen düşünüyorum da, eğer bizim fizik kuramlarımız kara deliklerin varlığına hiç izin vermeseydi, teorileri nasıl stres testine tabi tutardık?
Bana göre kara delikler kozmolojide adeta 'standart mum' gibi; teorik ilerlemede çok önemli rol oynuyorlar
Gerçekte pratik faydası kanıtlanana kadar buna keyifli bir matematik problemi çözme zamanı olarak bakmak gerekiyor
İki modelden 'minimum description length (MDL)' daha kısa olanın genelleme gücünün daha yüksek olma olasılığı daha fazladır
Bana göre manyetizma kütleçekimine yakın bir şey
Bunu yıllardır söylüyorum; büyük ölçüde hizalanmamış manyetik alanların birleşip çok hafif bir net çekim etkisi ürettiğini düşünüyorum
Ben bunu pek anlayamıyorum
Benim için entropi, gerçek bir fiziksel olgu değil; bir sistem hakkında mükemmel bilgiye sahip olmadığımızda bu eksikliği sayısallaştırma yolu
Biz yalnızca maddenin makroskopik özelliklerini gözlemliyoruz; dolayısıyla mikroskobik gerçeği tam yansıtmayan bir gösterge oluşturmuş oluyoruz
Eğer mikroskobik dünyayı bir mikroskopla kusursuz biçimde bilebilseydik, entropi kavramının kendisi anlamsız hale gelirdi
Bu yüzden kütleçekiminin ya da başka temel etkileşimlerin entropiden çıktığı fikrini anlayamıyorum
Bana göre entropi insanların icat ettiği bir kavram
Bu bir yanlış anlama
Fiziksel entropi gerçek olguları yönetir
Örneğin buzun sıcak bir odada erimesi ya da kabloların giderek dolaşması gibi
Entropiyi ölçmemiz, odadaki buz ya da dolaşmış kablo gibi makroskopik durumları özetlememizden ibaret
Boltzmann tarzı entropi, 'düzensiz' yerleşimlerin sayısı ezici biçimde fazla olduğu için entropinin genel olarak neden arttığını açıklar
Bu yüzden buz mutlaka erir
Entropi de sıcaklık gibi fiziksel bir 'gerçeklik'tir
Tek bir parçacık düzeyinde bulunmuyor diye onun fiziksel bir nicelik olmadığını düşünmek gerekmez
Entropi, belirli bir sistemin mikrodurum sayısını ölçer ve bu sayı gözlemciden bağımsız olarak vardır
Temelde entropi, sistemi tam olarak bilmemeye dair 'cehaleti' sayısallaştırır
Buna rağmen laboratuvarda gerçek 'entropik kuvvet' olgularını ölçmek mümkündür
Entropik kuvvet Wikipedia açıklamasına ve ideal zincir örneğine bakmanızı öneririm
Bu açıdan entropi, yalnızca insanların uydurduğu bir hesap yöntemi değildir; gözlemlenen olguları etkili biçimde açıkladığı için fizikte kullanışlıdır, ama temel bir yasa olmak zorunda değildir
Entropik kütleçekimine inanıyorsanız, kütleçekiminin bir 'ortaya çıkış olgusu' olduğunu da kabul ediyorsunuz demektir; bu da sonunda daha temel bir kütleçekimi teorisine ihtiyaç olduğu anlamına gelir
Mevcut çalışmalar genelde kütleçekimini doğrudan kuantize etmeye yöneliyor, ama entropik kütleçekimi yaklaşımı sanki gaz yasalarını zorla kuantize etmeye çalışmamak gerektiğini söylemek gibi
Ayrıca, 'olasılık dağılımı olmadan entropi' diye bir şey olamaz. Entropiyi sorgusuzca 'gerçek bir nicelik' ilan etmek 19. yüzyıl tarzı bir bakıştır
Bilgisayar biliminde kullanılan entropi ile fizikteki entropi aynı şey değildir
Bu farkı çok iyi anlatan şu konuşmayı tavsiye ederim
Eskiden ben de entropinin yalnızca bizim bilgi sınırlarımızla ilgili olduğunu düşünürdüm, ama artık Heisenberg belirsizlik ilkesi nedeniyle mikrodurumları kusursuz biçimde bilmenin temelde imkânsız olduğuna inanıyorum
Tüm olaylar özünde geri döndürülemez ve entropi her zaman artar
Kusursuzluk yalnızca teoride mümkündür
Bilginin nasıl çalıştığına bağlı olarak kütleçekiminin ortaya çıktığı fikri çekici
Ama bu modelin genel görelilikten farklı olgular öngördüğüne dair henüz net bir kanıt görmedim
Şimdilik tartışması keyifli bir teori olsa da onu tamamen benimsemek zor
Wolfram'ın hipergraf tabanlı fizik modeliyle bu yaklaşımın uyumlu olup olmadığını merak ediyorum
O çerçevede kütleçekimi, hipergraf evriminin istatistiksel davranışından ortaya çıkan bir olgu olarak görülebilir; yani kütleçekimini sistemin hesaplama karmaşıklığını en aza indirme eğiliminden doğan bir 'entropik kuvvet' diye yorumlamak mümkün olabilir
Skyrim oyunundaki emergent fox-treasure gravity ile ilgili ilginç bir örnek var
İlgili yazı
Kısacası, hazine bulunan bölgeler tilkinin rastgele hareket yollarında daha yüksek 'entropi' gösterdiği için tilki istemeden de olsa hazineye daha kolay gidiyor
Entropik kütleçekimi deniyorsa, bu kaldırma kuvvetine (buoyancy) benzemiyor mu diye soruyorum