• Começa Com Um Estrondo

Espaço, tempo e gravidade são apenas ilusões?

Dois possíveis padrões de emaranhamento no espaço de Sitter, representando bits emaranhados de informação quântica que podem permitir que o espaço, o tempo e a gravidade emerjam. Crédito da imagem: Erik Verlinde.

É uma ideia fascinante, mas como ela se sai como uma teoria científica?

Algo está acontecendo aqui e isso vai ter um impacto.
– Robert Dijkgraaf, sobre o trabalho de Verlinde

O Universo, como o conhecemos, tem uma falha fundamental nos encarando bem na nossa cara, deixando-nos saber que nosso conhecimento é incompleto. As quatro forças fundamentais são descritas por duas estruturas diferentes e mutuamente incompatíveis: a Relatividade Geral para a gravitação e a Teoria Quântica de Campos para as forças eletromagnética e nuclear. A teoria de Einstein por si só é boa, descrevendo como matéria e energia se relacionam com a curvatura do espaço-tempo. As teorias de campo quântico por si só também são boas, descrevendo como as partículas interagem e experimentam forças. Mas onde os campos gravitacionais são mais fortes e nas menores escalas, não temos como descrever a natureza. A física de nossas maiores teorias se desfaz.

As quatro forças (ou interações) da Natureza, suas partículas portadoras de força e os fenômenos ou partículas afetadas por elas. As três interações que governam o microcosmos são muito mais fortes que a gravidade e foram unificadas através do Modelo Padrão. Crédito da imagem: Typoform/Nobel Media.

Sob circunstâncias convencionais, os cálculos da teoria quântica de campos são feitos no espaço plano, onde o espaço-tempo não é curvo. Também podemos fazê-los no espaço curvo descrito pela teoria da gravidade de Einstein, embora os cálculos sejam muito mais difíceis. Essa abordagem semi-clássica nos leva longe, mas não nos leva a todos os lugares. Em particular, existem algumas situações de campo forte em que simplesmente não podemos obter respostas sensatas usando nossas teorias atuais:

• O que acontece com o campo gravitacional de um elétron quando ele passa por uma fenda dupla?
• O que acontece com a informação das partículas que formam um buraco negro, se o estado eventual do buraco negro é radiação térmica?
• E qual é o comportamento de um campo/força gravitacional em e ao redor de uma singularidade?

Todas essas perguntas ficam sem resposta sem uma teoria quântica da gravidade.

Fora do horizonte de eventos de um buraco negro, a Relatividade Geral e a teoria quântica de campos são completamente suficientes para entender a física do que ocorre. Mas perto da singularidade, é necessária uma teoria quântica da gravidade. Crédito da imagem: NASA.

A suposição que normalmente fazemos é que existe uma teoria quântica da gravidade, e ainda não a encontramos. Talvez seja a teoria das cordas; talvez seja uma abordagem alternativa como gravidade quântica em loop, triangulações dinâmicas causais ou segurança assintótica. Mas desde 2009, uma abordagem nova, excitante e desafiadora de suposições tomou a cena de assalto: a ideia de que a gravidade em si não é uma força real e fundamental, mas uma força emergente e ilusória. Pioneiro por Erik Verlinde, a ideia é que a gravidade emerge de um fenômeno mais fundamental no Universo, e esse fenômeno é a entropia.

Se a gravitação não é fundamental, mas sim uma força emergente que surge das propriedades dos qbits fundamentais de informação, talvez esta nova forma de olhar para o Universo responda a alguns dos nossos maiores enigmas fundamentais. Crédito da imagem: galeria flickr de J. Gabas Esteban.

As ondas sonoras emergem de interações moleculares; átomos emergem de quarks, glúons e elétrons e das interações fortes e eletromagnéticas; os sistemas planetários emergem da gravitação na Relatividade Geral. Mas na ideia de gravidade entrópica – assim como em alguns outros cenários (como qbits) – a gravitação ou mesmo o próprio espaço e tempo podem emergir de outras entidades de maneira semelhante. Existem relações bem conhecidas e próximas entre as equações que governam a termodinâmica e as que governam a gravitação. Sabe-se que as leis da termodinâmica emergem do campo mais fundamental da mecânica estatística, mas existe algo mais fundamental a partir do qual a gravidade emerge? Essa é a ideia de gravidade entrópica.

Se a gravidade em si não é uma força fundamental, mas sim uma força emergente, muitos dos mistérios do espaço e do tempo podem ter uma solução diferente daquela que estamos buscando atualmente. Crédito da imagem: Zoltán Vörös do flickr.

Verlinde tem sido o principal proponente trabalhando nessa ideia, com alguns caminhos interessantes de progresso. A abordagem de Verlinde é partir da entropia e temperatura Hawking de um buraco negro e, em seguida, usando ideias da Teoria das Cordas, para mostrar que há uma relação entre a teoria da informação quântica e o surgimento da gravidade, espaço e tempo. Mas também há algumas grandes questões em aberto (ou problemas) sem respostas satisfatórias. Com base no trabalho apresentado em seu papel mais recente , aqui estão três:

1. Seu modelo permite que a massa gravitacional emerja, mas não há menção à massa inercial, ou porque essas duas são a mesma coisa. (Este é o princípio de equivalência de Einstein.)
2. Muitas das suposições intrincadas que Verlinde faz só podem fazer os números funcionarem para o nosso universo se eles aplicarem a taxa de expansão do Hubble como é hoje, apesar do fato de que a taxa de expansão do Universo mudou drasticamente ao longo de sua história.
3. O modelo assume que a energia escura sempre foi a forma dominante de energia no Universo para tornar esse quadro válido, mas a verdade é que por bilhões de anos, a energia escura foi insignificante.

Mas a ideia básica, que bits quânticos fundamentais (ou qbits) possuem temperatura e informação, e que tudo mais sobre gravitação, incluindo talvez até espaço e tempo, pode ser derivado disso, é grande demais para ser ignorada. Esta noite, graças ao Perimeter Institute, Verlinde tem a oportunidade e o local para compartilhar essa ideia com o mundo .

A palestra de Erik Verlinde, a ser entregue no dia 4 de outubro às 19h, horário do leste, apresentará sua nova visão sobre a gravitação, bem como o que isso significaria para a matéria escura e a energia escura. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

Costuma-se dizer que a resposta está sempre no último lugar que você procura, e talvez se as ideias de Verlinde estiverem corretas, este é o lugar onde a encontraremos. Erik Verlinde está ministrando a palestra pública do Perimeter Institute às 19h do leste/16h, horário do Pacífico hoje à noite, e você pode assistir aqui e assistir a um blog ao vivo de sua palestra abaixo, em tempo real ou em qualquer momento posterior. O que ele terá a dizer? E ele abordará as deficiências atuais de sua teoria? Vamos descobrir juntos!

15h54 (Todos os horários do Pacífico): Bem-vindo ao Live Blog da palestra de Erik Verlinde! Para aqueles curiosos sobre por que a gravidade emergente é uma ideia tão radical, ela apresenta a possibilidade de explicar a força mais misteriosa, a gravidade, em termos de algo simples e bem definido: a entropia de minúsculos buracos negros. Se o nosso Universo é realmente feito de algo mais fundamental do que as partículas do Modelo Padrão, este pode ser o avanço chave que nos leva à próxima fronteira!

15h58: Também pode estar completamente errado. Na verdade, muitas pessoas, especialmente os defensores da matéria escura (como, mas não incluindo, eu), são muito céticos em relação à ideia de Verlinde, chegando ao ponto de defender que o Perimeter não deveria dar uma plataforma às suas ideias. Eu discordo fortemente disso. Uma nova ideia cheia de possibilidades, mesmo que se mostre errada e não descritiva do nosso Universo físico, pode ser uma linha de investigação fascinante para investigar. Novas matemáticas, novas inovações e novas perspectivas muitas vezes podem levar a uma nova maneira de ver o Universo, mesmo que a maneira como estamos investigando inicialmente seja infrutífera. Você nunca sabe o que vai encontrar, a menos que procure. Pode ser um beco sem saída que estamos indo, mas não saberemos a menos que andemos por esse caminho!

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16:00: E aqui vamos nós! Boas-vindas de Greg Dick, diretor de divulgação da Perimeter, com uma palestra de uma hora (por Verlinde) e depois uma sessão de perguntas e respostas de aproximadamente 15 minutos. Vamos ver o que temos; se você quiser fazer uma pergunta, use a hashtag #piLIVE no Twitter, que estarei seguindo também.

16h03: Se você está se perguntando, é pronunciado ver-LIND, não ver-LIN-de. Eu não sabia disso até agora.

Quatro aglomerados de galáxias em colisão, mostrando a separação entre os raios X (rosa) e a gravitação (azul), indicativo de matéria escura. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/UVic./A.Mahdavi et al. Óptico/Lente: CFHT/UVic./A. Mahdavi et ai. (superior esquerdo); Raio X: NASA/CXC/UCDavis/W.Dawson et al.; Óptico: NASA/STScI/UCDavis/W.Dawson et al. (canto superior direito); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/ IASF, Milão, Itália)/CFHTLS (canto inferior esquerdo); Raio-X: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Universidade da Califórnia, Santa Bárbara) e S. Allen (Universidade de Stanford) (canto inferior direito).

16h05: Um dos aspectos mais controversos da teoria de Verlinde é que ela tenta explicar a matéria escura e a energia escura, que parecem ser absolutamente necessárias a partir de uma variedade de observações astrofísicas. A teoria de Verlinde eventualmente fornecerá uma explicação para essas observações? Podemos esperar, mas espero que ele seja honesto de que sua teoria ainda não chegou lá.

Um diagrama de um tubo de raios catódicos. Crédito da imagem: Theresa Knott / Wikimedia Commons.

16h07: Verlinde fala sobre os aceleradores de partículas como sendo a chave para a física do século 20, observando que a televisão é até mesmo um acelerador de partículas. Isso era verdade para os antigos televisores de tubo de raios catódicos, que aceleravam elétrons em uma tela, causando a emissão de fótons que criam uma imagem. Mas agora usamos tecnologia estilo LED; fomos além dos CRTs e aceleradores de partículas. É possível que precisemos ir para bits quânticos (qbits) de informação, além das partículas individuais como as entendemos, para entender a gravidade.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute, da visão especulativa de Verlinde sobre o Universo. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h10: Substituindo partículas ou outros pontos fundamentais por um novo ponto de vista, poderíamos obter novas respostas? Este é um terreno perigoso aqui, porque atravessa a fronteira do que é realmente física (ou seja, enraizada na realidade) e pura especulação, onde não há fenômenos observados ou experimentos que você possa realizar para diferenciá-los. Curioso para ver onde isso leva.

16h13: É verdade que quantidades macroscópicas, como temperatura e pressão, são compostas por um conjunto mais fundamental de quantidades: as partículas individuais que compõem, por exemplo, um gás. À medida que se movem, interagem e colidem, criam essas propriedades macroscópicas. A entropia, por exemplo, é uma dessas quantidades deriváveis ​​das propriedades microscópicas de um sistema. Mas é possível que o que concebemos como fundamental, como partículas, gravidade, ou mesmo espaço e tempo, seja realmente feito de outra coisa? Mesmo entropia, em um nível fundamental? Tenha a mente aberta, mas também seja cético.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h15: Pelo menos estamos começando, de Verlinde, com uma definição sólida de entropia: o número total de bits de informação em um sistema. Isso, de fato, precisará ser promovido a qbits (bits quânticos) para explicar nosso universo quântico, mas tudo bem.

É necessária uma velocidade de 7,9 km/s para atingir C (órbita estável), enquanto é necessária uma velocidade de 11,2 km/s para E escapar da gravidade da Terra. Crédito da imagem: Brian Brondel sob uma licença c.c.a.-s.a.-3.0.

16h18: Ele quer que você pense sobre a gravidade, em termos newtonianos, que gravidade, girar ao redor da Terra e cair são, na verdade, a mesma coisa. É daí que você obtém uma lei de força newtoniana, e esse foi um dos grandes avanços teóricos da história humana. Por mais de 200 anos, mais que o dobro do tempo que tivemos a Relatividade Geral, a gravidade newtoniana foi a campeã inquestionável do Universo. Não subestime seu impacto e importância!

O tecido do Universo, o espaço-tempo, é um conceito complicado de entender. Mas, graças à relatividade geral de Einstein, estamos à altura do desafio. Crédito da imagem: usuário do Pixabay JohnsonMartin.

16h20: Verlinde agora está delineando a diferença entre a matéria escura (ou seja, uma nova fonte de massa invisível) e a gravidade modificada (ou seja, uma nova teoria da gravidade). Einstein substituiu Newton pela curvatura do espaço-tempo determinando o movimento da matéria e da energia, com a matéria e a energia determinando, por sua vez, a curvatura do espaço-tempo. A analogia é clara: Verlinde quer modificar a forma como pensamos sobre a gravidade em vez de adicionar matéria escura. Esta é uma tarefa difícil; há muitas, muitas coisas que funcionam muito bem se você adicionar matéria escura e falhou se você não.

A curva de rotação estendida de M33, a galáxia Triangulum. Com a adição do feedback da formação estelar nas simulações, bem como a razão entre a matéria normal e a matéria escura, poderia a matéria escura finalmente explicar essas curvas de rotação observadas? Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stefania.deluca.

16h24: O que falha na gravidade modificada?

• Formação de estrutura em grande escala,
• as flutuações no fundo cósmico de microondas,
• os movimentos de galáxias individuais dentro de aglomerados de galáxias,
• a quantidade e a forma das lentes gravitacionais,
• os efeitos gravitacionais da fusão de aglomerados de galáxias,
• o efeito Sachs-Wolfe e Sachs-Wolfe Integrado,
• e a proporção variada de matéria escura para matéria normal (conforme inferido dos movimentos de estrelas individuais) em galáxias de diferentes escalas/tamanhos.

É uma tarefa difícil para uma teoria da gravidade modificada explicar seu pão com manteiga, rotação galáctica e, simultaneamente, atingir tudo isso.

Captura de tela do usuário do Twitter New Leibniz: https://twitter.com/NewLeibniz/status/915714279726297089 Crédito da imagem: Captura de tela do Twitter.

16h26: Há uma pergunta muito boa no Twitter que o Perimeter não está respondendo: a descoberta da matéria escura invalidaria a teoria de Verlinde (ou qualquer teoria da gravidade modificada). Seria totalmente desnecessário, para ser honesto. Temos muitas evidências de matéria escura, e o único lugar onde a gravidade modificada é superior é em escalas galácticas individuais.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h29: Senhoras e senhores, temos SILLY PUTTY! Verlinde está falando sobre elasticidade, que é uma propriedade derivada (emergente) das interações de todas as partículas. A alegação de Verlinde é que, assim como a massa boba flui, talvez a gravidade, ou a matéria escura, seja uma propriedade derivada e emergente de uma teoria subjacente mais fundamental. Sim, Einstein está certo, mas talvez outra coisa esteja mais direita, ou seja, fundamental e a partir do qual as equações de Einstein podem ser derivadas.

16h31: Uau, amigo! Não seja injusto com a matéria escura! Só porque não construímos um experimento que o detectou diretamente com sucesso no laboratório não é evidência de que a matéria escura não existe! Isso significa que os detectores que conseguimos construir e as escalas que conseguimos sondar, principalmente procurando por matéria escura do tipo WIMP, não foram bem-sucedidos. Mas a ausência de evidência não é evidência de ausência. Argumentar o contrário é pura tolice.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h33: E sim, as lentes gravitacionais mostram a necessidade de matéria escura. É simplesmente uma questão de massa, e a lente (para lentes fortes e fracas) é um forte indireto verificação da matéria escura. Novamente, nenhuma teoria da gravidade modificada, incluindo o de Verlinde , pode explicar todas essas observações em larga escala.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h35: Você pegou esse gráfico lindo? Sim, esta é uma ilustração fabulosa do Universo visto da nossa perspectiva, em termos de tempo de retrospectiva. As primeiras galáxias, a idade das trevas e a CMB são todas visíveis. Arrumado!

Restrições à energia escura de três fontes independentes: supernovas, CMB e BAO. Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura. Crédito da imagem: Supernova Cosmology Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010).

16h37: Mas, novamente, olhar para 95% da energia do Universo é algo que não sabemos o que é, ou seja, matéria escura e energia escura, não significa que haja algo errado com a nossa imagem do Universo. Temos pessoas que não aceitam a relatividade; não aceite a mecânica quântica; não aceite teorias de campo ou a existência de buracos negros, etc. Por que sua intuição deveria, ou o que faz sentido para sua mente insignificante no contexto de sua experiência limitada , ser um espelho da realidade? Isso é um pouco de arrogância da qual precisamos nos proteger, não abraçar para nos convencer de que nossa intuição está certa.

16h42: Em uma nota lateral, este vídeo de cair em um buraco negro é muito legal. Andrew Hamilton, do Colorado, é o cérebro por trás disso, e a simulação é disponível no Vimeo para ver a qualquer momento. Eu o incorporei acima; aproveite e assista quantas vezes quiser!

A radiação Hawking é o que inevitavelmente resulta das previsões da física quântica no espaço-tempo curvo ao redor do horizonte de eventos de um buraco negro. Este diagrama mostra que é a energia de fora do horizonte de eventos que cria a radiação, o que significa que o buraco negro deve perder massa para compensar. Crédito da imagem: E. Siegel.

16h45: A radiação Bekenstein-Hawking é trazida à tona, de forma quase moda correta. Ele está falando sobre isso em termos de mecânica quântica, o que é muito ingênuo. Não são pares partícula-antipartícula onde um deles sai; são principalmente fótons e radiação de corpo negro que saem dele, não partículas ou antipartículas. Requer a teoria quântica de campos para descrevê-la, e mesmo a ilustração aprimorada que fiz acima não a encapsula totalmente. Mas o correto é que a área de um buraco negro (relativa à sua massa) é proporcional à sua entropia.

16h47: Verlinde diz que é a primeira rachadura na teoria de Einstein, mas não acho justo. Entropia é algo que pode ser derivado Em cima de o pano de fundo da Relatividade Geral, mas não implica nenhum problema com a teoria de Einstein. Na verdade, pelo que Verlinde está argumentando, eu diria que ele acha que a matéria escura é a primeira rachadura na teoria. Quanto a isso, discordo, mas pelo menos vejo de onde ele vem.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h49: Se você substituir bits por qbits em um computador, você não terá apenas 0s e 1s, você terá superposições e, portanto, tudo entre eles. Na verdade, você pode emaranhar muitos qbits uns com os outros, e é por isso que os computadores quânticos oferecem uma possibilidade muito mais poderosa para os computadores clássicos convencionais.

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h50: Apenas para sua informação, esta era a foto que eu estava curioso no início da palestra. Parece insinuar que partículas quânticas emaranhadas, ou informações quânticas, são o que dá origem à matéria escura. A quantidade de emaranhamento tem aumentou ao longo do tempo, à medida que o Universo se expandiu. Então, o que isso significa para a densidade da matéria escura (ou como ela parece se manifestar) ao longo do tempo? Não tenho uma resposta, mas sei que a teoria de Verlinde muda... o que me deixa insatisfeito. Mas pelo menos agora estamos finalmente conseguindo a conexão entre emaranhamento e matéria escura.

16h53: Verlinde faz a grande pergunta: o emaranhamento quântico/gravidade emergente explica os desvios das leis de Newton na rotação galáctica? É o mais fácil problema para a gravidade modificada, mas a resposta até agora é, apenas em um instante no tempo. Não funciona da mesma forma se olharmos para distâncias maiores e tempos de retrospectiva maiores.

16h55: Qual é a entropia do Universo? De fótons, Verlinde diz que são cerca de 10⁹⁰ ‘bits’. Pelo tamanho do horizonte cosmológico, ele diz que deveria ser 10¹²⁰ bits. (Ele está deixando um fator de para de lá, eu acho.) O interessante é que podemos realmente calcular isso, e os buracos negros são o fator dominante. Na verdade, Eu mesmo calculei aqui; vá conferir !

Captura de tela da palestra de 4 de outubro no Perimeter Institute. Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

16h59: Essa é a grande conclusão de Verlinde? Que entropia, emaranhamento, constante de Hubble, etc., estão todos relacionados e explicam o problema da rotação galáctica? Isso é... muito, muito suspeito. Particularmente porque a constante de Hubble é uma constante no espaço, mas muda ao longo do tempo . Então, como a rotação galáctica evolui com o tempo/desvio para o vermelho? Nenhuma resposta de Verlinde, porque as outras constantes em suas equações não mudança.

17h01: Devo dizer que estou decepcionado; havia realmente muito pouca informação quantitativa apresentada. Não há nada que ele apresentou que você possa usar, digamos, um facto desafiar sua ideia. E isso é tremendamente decepcionante. Essa é a definição de luvas de pelica para mim. Alguém desafie isso, por favor!

Meu Tweet (@startswithabang) no Twitter. Crédito da imagem: Captura de tela do Twitter.

17h02: Tudo bem, eu perguntei . Vamos ver se obtemos uma resposta!

17h05: Devo dizer que é a primeira vez que menos animado com uma ideia depois de ver uma palestra do que eu estava antes de ver a palestra. As ideias que Verlinde apresentou em seu artigo foram mostradas como estando em desenvolvimento, como estando cientes dos problemas com elas, como sendo afinadas para corresponder aos parâmetros que descrevem nosso Universo. Essa conversa foi leve nos detalhes e pesada na publicidade. Que pena.

17h06: Ei! Aqui está uma admissão de que, se eles descobrirem muita matéria escura, suas ideias estão erradas. E todo o resto é sua intuição.

17h09: Que pena; nenhuma abordagem dos aspectos quantitativos de sua ideia. Foi interessante ouvir e estou feliz por ter ouvido, mas estou mais convencido de que esta é uma solução escolhida a dedo que ele afirma ter encontrado, e que os detalhes, principalmente à medida que o Universo evolui, ganharam não se torne consistente. Também estou convencido de que o físico que mostra isso não será Erik Verlinde.

De qualquer forma, espero que tenham gostado da palestra e obrigado por acompanhar o blog ao vivo!

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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