Jak Kosmos Może Być Naprawdę Wielką Bańką Mydlaną

Streszczenie

Grawitacja zawsze była tym cichym, niewidzialnym współlokatorem, który nigdy nie płaci czynszu i po prostu przyciąga wszystko do siebie. Ale co jeśli grawitacja nie jest tym, czym myślimy, że jest? Co jeśli nie jest tajemniczą siłą, ale produktem ubocznym — iluzją — jak ostatni kawałek pizzy, którego przysięgasz, że nie zjadłeś, ale jakoś zniknął?

W tym artykule badamy hipotetyczną (czytaj: prawdopodobnie szaloną) koncepcję, że grawitacja jest w rzeczywistości manifestacją napięcia powierzchniowego, siły, która trzyma razem bąbelki, krople wody i wszystkie twoje marzenia o zostaniu astronautą. Po drodze zanurzymy się w fizyce, pobawimy się czasoprzestrzenią, błędnie zinterpretujemy kilka analogii i bezczelnie antropomorfizujemy cząsteczki. Zaczynajmy.

Spis treści

  1. Wprowadzenie: Czy grawitacja to oszustwo?

    Advertising

  2. Czym jest napięcie powierzchniowe i dlaczego woda się trzyma?

  3. Fizyka napięcia powierzchniowego i czasoprzestrzeni

  4. Grawitacja: lojalny pies wszechświata

  5. Model napięcia powierzchniowego grawitacji

  6. Dowody i eksperymenty myślowe

  7. Problemy, krytyka i wściekli fizycy

  8. Zasada holograficzna i Emergent Gravity

  9. Czy metafora poszła za daleko? Kiedy analogia staje się spiskiem

  10. Wniosek: Czy żyjemy w gigantycznej kropli?

1. Wprowadzenie: Czy grawitacja to oszustwo?

Grawitacja: Newton powiedział, że jest siłą, Einstein powiedział, że jest zakrzywieniem czasoprzestrzeni, a twój kot mówi, że tak podłoga staje się przeznaczeniem. Ale czy możliwe jest, że źle zrozumieliśmy całą rzecz?

Czy grawitacja może nie być podstawowa, ale emergentna? Czy może być — jak brunch — zjawiskiem powierzchniowym, które pojawia się tylko wtedy, gdy wszystko odpowiednio złożysz?

Tak. Być może. Prawdopodobnie nie. Ale udawanie jest fajne.

2. Czym jest napięcie powierzchniowe i dlaczego woda się trzyma?

Zacznijmy od czegoś prostego. Napięcie powierzchniowe to siła, która powstaje w wyniku oddziaływań molekularnych na granicy cieczy i powietrza. Cząsteczki wewnątrz cieczy są popychane i przyciągane w równym stopniu we wszystkich kierunkach. Ale na powierzchni? To jak lęk społeczny — nie ma nikogo, kto trzymałby twoją rękę z jednej strony.

Rezultat? Na powierzchni cieczy tworzy się rodzaj elastycznej „skóry”. Dlatego woda skrapla się. Dlatego owady mogą chodzić po wodzie. I dlatego butelka szamponu śpiewa, gdy źle ją ściskasz.

Matematyka, która za tym stoi, obejmuje siły międzycząsteczkowe i minimalizację powierzchni, ale prawdziwy wniosek jest taki:

3. Fizyka napięcia powierzchniowego i czasoprzestrzeni

Teraz udawajmy, że wszechświat jest gigantyczną cieczą. A czasoprzestrzeń jest jego powierzchnią. Brzmi śmiesznie? Świetnie, teraz myślisz jak fizyk teoretyczny.

Istnieją prawdziwe teorie — takie jak korespondencja AdS/CFT — sugerujące, że wszechświat może być holograficzny, co oznacza, że ​​wszystko, czego doświadczamy w 3D, jest w rzeczywistości rzutowane z powierzchni 2D. Jak najdziwniejsze kino IMAX na świecie.

W tym kontekście, czy grawitacja — nasz stary kumpel — może być po prostu rodzajem napięcia powierzchniowego? Siłą wyłaniającą się z tendencji czasoprzestrzeni do minimalizowania „energii powierzchniowej”?

To tak, jakby sama czasoprzestrzeń była rozciągniętą membraną, a materia zginała ją nie za pomocą jakiejś mistycznej siły, ale poprzez zmianę lokalnego rozkładu energii powierzchniowej. Trochę jak kładzenie kuli do kręgli na trampolinie. Z wyjątkiem tego, że trampolina jest niewidzialna, a kula do kręgli jest zrobiona z kwarków.

4. Grawitacja: Lojalny pies wszechświata

Grawitacja nie jest wystarczająco doceniana. Elektromagnetyzm otrzymuje wszystkie błyskotliwe światła i iskrzące rzeczy. Silne i słabe siły jądrowe utrzymują jądra atomowe razem i wyzwalają rozpad radioaktywny. Ale grawitacja? Grawitacja po prostu przyciąga.

Przyciąga galaktyki, gwiazdy, ciebie po dniu ćwiczeń nóg. I w przeciwieństwie do twojego Wi-Fi, jest zawsze włączona.

Ale co jeśli to „przyciąganie” jest po prostu efektem krzywizny spowodowanej przez napięcie powierzchniowe? Kiedy rzucasz coś masywnego na czasoprzestrzeń, czy możesz po prostu deformować powierzchnię kosmosu, powodując, że inne rzeczy „ślizgają się”? w jego kierunku jak mrówki na przechylonym frisbee?

Wyobraź sobie słynny model gumowej folii Einsteina — ale teraz dodaj wody. Właśnie zrobiłeś Zupę Czasoprzestrzenną™.

5. Model napięcia powierzchniowego grawitacji

Zbudujmy naszą fantastyczną teorię. Oto jej treść:

Innymi słowy: Grawitacja to po prostu kosmiczne działanie kapilarne. Małe obiekty „wspinają się” po krzywych energii tworzonych przez duże masy, dokładnie tak jak woda pełzająca po papierowym ręczniku wbrew wszystkiemu, co święte.

To nawet w pewien sposób pokrywa się ze sposobem, w jaki pola grawitacyjne słabną wraz z odległością. Podobnie jak siły napięcia powierzchniowego.

Pomaga to również wyjaśnić czarne dziury! Kiedy gromadzi się zbyt dużo masy, rozciąga napięcie powierzchniowe do granic możliwości — tworząc pęknięcie lub „lej krasowy” w filmie czasoprzestrzennym.

6. Dowody i eksperymenty myślowe

A) Ziemia-bańka mydlana

Wyobraź sobie, że Ziemia jest bańką, a ty kładziesz na niej kulkę. Ta kulka trochę deformuje powierzchnię, a inne kulki w pobliżu toczą się w jej kierunku. To grawitacja, skarbie.

Teraz zastąp kulkę planetą, a film mydlany czasoprzestrzenią. BUM: napięcie powierzchniowe analogiczne do ogólnej teorii względności. Coś w tym stylu.

B) Kosmiczna filiżanka kawy

Rozlej mleko do kawy. Zobacz, jak spływa w kierunku gęstszych, bardziej energetycznych regionów. Teraz wyobraź sobie, że kawa jest czasoprzestrzenią, a mleko... OK, metafora się rozpada. Ale wyglądało fajnie, prawda?

7. Problemy, krytyka i wściekli fizycy

W tym momencie przyznajmy, że prawdziwi fizycy czuliby się z tym wszystkim głęboko niekomfortowo.

Oto kilka kwestii:

Poza tym matematyka staje się naprawdę dziwna, gdy próbujesz modelować czasoprzestrzeń jako bańkę mydlaną. Chyba że lubisz rachunek tensorowy, płacząc.

Ale nie psujmy zabawy.

8. Zasada holograficzna i wyłaniająca się grawitacja

Tutaj sprawy stają się naprawdę dziwne. Niektórzy fizycy, tacy jak Erik Verlinde, zasugerowali, że grawitacja nie jest fundamentalna, ale wyłania się z gradientów entropii.

Zasadniczo masa wpływa na ilość informacji, które można zakodować na powierzchni regionu czasoprzestrzeni. Grawitacja jest zatem konsekwencją systemów próbujących maksymalizować entropię, tak jak twoje biurko pod koniec tygodnia.

W tym ujęciu grawitacja jako napięcie powierzchniowe nie jest daleka od prawdy. To metafora z zębami entropii. Czasoprzestrzeń chce się wygładzić. A masa jest tylko lokalną zmarszczką na kocu rzeczywistości.

To jest przytulne.

9. Metafora za daleko posunięta? Kiedy analogia staje się spiskiem

Oto niebezpieczeństwo: nie wszystkie analogie są skalowalne. To, że grawitacja działa jak napięcie powierzchniowe, nie oznacza, że ​​jest napięciem powierzchniowym. To tak, jakby powiedzieć, że twój pies jest mikrofalówką, bo oba szczekają, gdy naciskasz ich przyciski.

Mimo to forsowanie tych idei poszerza naszą intuicję. Otwiera to dziwne drzwi. A czasami fizyka potrzebuje odrobiny dziwności.

Po prostu zapytaj kota Schrödingera. Albo nie. Może jest martwy. Albo nie.

10. Wniosek: Czy żyjemy w gigantycznej kropli?

Spójrzmy prawdzie w oczy: możemy nigdy nie dowiedzieć się, czym naprawdę jest grawitacja. Czy to siła? Krzywizna? Zjawisko powierzchniowe? Błąd w matrycy?

Wiemy, że eksploracja tych idei podtrzymuje przy życiu fizykę. Przypomina nam, że nauka nie polega tylko na faktach — chodzi o zabawę, zadziwianie, a czasem krzyczenie „a co jeśli wszechświat jest zrobiony z galaretki?” o 3 nad ranem.

Więc następnym razem, gdy upuścisz tosta i wyląduje on stroną posmarowaną do dołu, nie przeklinaj grawitacji. Po prostu się uśmiechnij i szepnij:

„Ach tak!” napięcie powierzchniowe znów wygrywa”.

Źródła

Abstact