過去20年における物理学の基礎理論で最も挑発的なアイデアの一つが、重力は基本的な相互作用ではなくエントロピーの増大によって引き起こされるという「エントロピー重力」理論である。この動画では、その「何の」エントロピーなのかという根本的な問いに対する新しい論文の答えを紹介している。著者らは空間が量子ビットで満たされていると仮定し、質量がこれらのスピンを整列させることで周囲のエントロピーを減少させ、二つの質量が近づくとエントロピーが増大するため引力が生じるという具体的なメカニズムを提案している。この理論はニュートンの法則を導出できるものの、アインシュタインの理論に必要な対称性をすべて備えているわけではないため完全には正しくないと考えられるが、将来的な発展の可能性を秘めた出発点として注目に値する。
エントロピー重力という挑発的なアイデア
過去20年ほどの間に私が物理学の基礎理論で見た中で最も挑発的な新しいアイデアの一つは、重力は基本的な相互作用ではなく、エントロピーの増大によって引き起こされるというものです。これはエントロピー重力と呼ばれています。しかし、何のエントロピーなのでしょうか?今日は、この問いに対する可能な答えを提示し、実際にこの分野を前進させるかもしれない興味深い新しい論文を紹介します。では見ていきましょう。
重力が本当にエントロピーによって引き起こされるというのは、最初は馬鹿げているように聞こえますが、重力について学べば学ぶほど、より説得力を増してきます。例えば、ブラックホールは熱力学的な物体としてエントロピーと温度を持つものとして記述できることで有名です。これは非常に困惑させられることです。なぜなら、エントロピーと温度は、時空や曲率などを扱うアインシュタインの一般相対性理論に現れるとは期待されない量だからです。
熱力学としての重力理論の展開
そして1990年代に、テッド・ヤコブソンは、ブラックホールだけでなく、より一般的な状況においても、アインシュタイン方程式をエントロピーや圧力などを含む熱力学の法則として再定式化できることを指摘しました。10年進んで、エリック・ヴァーリンデが熱力学からニュートンの法則を導出しました。
繰り返しますが、完全な一般相対性理論ではありませんが、徐々に近づいています。ヴァーリンデが好んで使う類推は、長いポリマーでできたある種の材料のようなもので、温めると収縮し、ある種の引力を生み出すというものです。ヴァーリンデは縮むセーター、いや失礼、弦理論に大いに影響を受けていましたが、重力について実際に何が起こっているとされているのかを本当に説明したことはありませんでした。
問題は、エントロピーについて話すなら、何かのエントロピーについて話さなければならないということです。例えば気体では、気体分子の運動のエントロピーです。燃焼エンジンにおける化学反応のエントロピーや、磁気モーメントのエントロピーについても話すことができますが、重力を引き起こしているのは何のエントロピーなのでしょうか。
量子ビットによる具体的な答え
新しい論文の著者たちは今、具体的な答えを考え出しました。彼らは、空間はスピンを持つ量子ビットで占められていると仮定しています。つまり、たくさんの小さな矢印です。私たちは以前にもこのアイデアについて何度か話したことがあります。それは「it from qubit」プログラムで、あなたも私もチーズケーキも、何もかもが何らかの形で量子コンピューターだというものです。ああ、待ってください。
もしチーズケーキが量子コンピューターだったら、観測されるとあんなに速く消えてしまう理由が説明できますね。ネイチャーに投稿している間、ちょっと待ってください。しかし重力と量子ビットの話に戻りましょう。彼らは今、もし質量がこの量子ビット環境に置かれると、スピンの方向をわずかに整列させると言っています。この画像でそれが見られます。なぜでしょうか?それが彼らの仮定です。
スピンが整列していると、より秩序があるので、質量の周りのエントロピーは低くなります。しかし問題は、二つの質量を近づけると、スピンが整列している総体積が減少するということです。これは総エントロピーが増加することを意味します。したがって、エントロピーの増加は質量を互いに引き寄せます。そして彼らはこれがニュートンの法則を与えることを示しています。
数か月前に似たようなアイデアについて話しましたが、そこでは数学がうまくいきませんでした。この場合、数学は実際に正しいと思います。著者たちはまた、このアイデアが真実であれば、いくつかの実験的予測ができると言っています。最も注目すべきことは、彼らの言うことが正しければ、重力自体は量子的性質を持たないということです。量子ビットから生じるとしても、それは平均的なバルク効果です。
これは、量子重力の効果を探している実験がそれを否定できる可能性があることを意味します。彼らはまた、この量子ビット環境は、私たちが予想しない場所でデコヒーレンスを引き起こすだろうとも言っています。とはいえ、彼らの提案は物理学者が「おもちゃモデル」と呼び、スタートアップビジネスでは「原理実証」として通用するものとして理解すべきだと思います。
このアイデアには、アインシュタインの理論を回復するために必要なすべての対称性があるわけではないので、正しくないことがわかっています。これが私がこれを bullshit メーターで10点満点中8点と評価する理由です。しかし、それは潜在的な可能性を持つかもしれない出発点です。そして、このアイデアをさらに発展させることが可能かどうか興味があります。ほとんどの物理学者は、重力は素粒子物理学の標準模型における他の相互作用と同様の量子相互作用であると非常に確信しているようです。
重力の本質についての議論
その媒介粒子は仮説上の重力子です。私は彼らがこれについてそれほど確信していることがかなり困惑させられると常々思っています。個人的に私は、重力が基本的なものなのか、それとも何か別のものから創発するのかという問いについては決めかねています。私は本当にこの問題についてはまだ結論が出ていないと思いますし、どちらの側にも良い議論があります。そしてもし重力が本当にエントロピーから生じるのであれば、私のオフィスは基本的にブラックホールになりつつあるということになります。
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