Một ý tưởng gây tranh cãi về bản chất của trọng lực đang khuấy động các cuộc thảo luận sôi nổi trong cộng đồng vật lý. Thay vì là một lực cơ bản, một số nhà nghiên cứu đề xuất rằng trọng lực thực sự có thể xuất hiện từ chuyển động ngẫu nhiên và sự pha trộn của các hạt vô hình - về cơ bản biến nó thành hệ quả của nhiệt và entropy.
Khái niệm này, được gọi là trọng lực entropy, cho rằng những gì chúng ta trải nghiệm như lực hấp dẫn thực chất chỉ là xu hướng hướng tới sự hỗn loạn của vũ trụ diễn ra ở quy mô vũ trụ. Hãy nghĩ về nó như cách hơi nước tự nhiên lan tỏa trong phòng hoặc cách dây tai nghe rối dường như ngày càng lộn xộn hơn theo thời gian.
Bối cảnh lịch sử của các lý thuyết trọng lực thay thế
- Thế kỷ 17: Newton và các đồng nghiệp đã đề xuất các mô hình cơ học trong đó trọng lực là lực đẩy thay vì lực hút
- 1995: Ted Jacobson giới thiệu trọng lực entropy hiện đại bằng cách suy ra các phương trình của Einstein từ các tính chất nhiệt
- 2010: Erik Verlinde xuất bản bài báo có ảnh hưởng lớn lập luận về trọng lực entropy
- 2024: Nhóm của Carney trình bày các mô hình có thể kiểm chứng mới kết nối trọng lực với thông tin lượng tử
Lý thuyết hạt vô hình
Công trình gần đây của Daniel Carney tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley trình bày hai mô hình về cách điều này có thể hoạt động. Trong mô hình đầu tiên, không gian được lấp đầy bởi một lưới các hạt lượng tử gọi là qubit, mỗi hạt có một hướng như những kim la bàn nhỏ. Khi một vật thể có khối lượng xuất hiện, nó khiến các qubit gần đó sắp xếp theo cùng một hướng, tạo ra các vùng trật tự trong một hệ thống ngẫu nhiên.
Vì tự nhiên ưa thích sự hỗn loạn, hệ thống cố gắng tối đa hóa entropy bằng cách đẩy các vùng có trật tự này lại với nhau. Điều này tạo ra những gì có vẻ như lực hấp dẫn giữa các vật thể có khối lượng. Mô hình thứ hai loại bỏ hoàn toàn lưới, cho phép các qubit tồn tại ở bất kỳ đâu trong không gian trong khi vẫn tạo ra các hiệu ứng trọng lực tương tự.
Qubit: Đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử, tương tự như cách các bit máy tính thông thường lưu trữ thông tin nhưng với các tính chất lượng tử
So sánh các Mô hình Trọng lực Entropy
| Loại Mô hình | Cấu trúc | Cơ chế | Đặc điểm Chính |
|---|---|---|---|
| Mô hình Lưới | Mạng tinh thể của các qubit | Các vật thể có khối lượng phân cực các qubit gần đó, tạo ra trật tự | Tương tác cục bộ với cấu trúc không gian |
| Mô hình Phi-cục bộ | Các qubit tồn tại ở bất kỳ đâu trong không gian | Khả năng năng lượng của qubit phụ thuộc vào khoảng cách khối lượng | Nắm bắt tính phi-cục bộ của trọng lực Newton |
 |
|---|
| Một nhà khoa học tham gia thảo luận lý thuyết về các mô hình hấp dẫn entropy trong bối cảnh học thuật |
Sự hoài nghi và ủng hộ từ cộng đồng
Cộng đồng vật lý vẫn chia rẽ sâu sắc về cách tiếp cận này. Nhiều nhà nghiên cứu chỉ ra các vấn đề cơ bản khi coi entropy như một lực vật lý thay vì một thước đo kiến thức không đầy đủ của chúng ta về một hệ thống.
Đối với tôi, entropy không phải là một thứ vật lý, mà là thước đo kiến thức không hoàn hảo của chúng ta về một hệ thống. Chúng ta chỉ có thể đo các tính chất tổng thể của vật chất, vì vậy chúng ta đã tạo ra một con số để định lượng mức độ không hoàn hảo của các tính chất tổng thể khi mô tả trạng thái vi mô thực sự của hệ thống.
Các nhà phê bình cũng lưu ý rằng những mô hình này chỉ tái tạo định luật trọng lực đơn giản của Newton, chứ không phải lý thuyết tương đối rộng hoàn chỉnh hơn của Einstein. Chúng hoạt động tốt với các trường hấp dẫn yếu như trên Trái Đất, nhưng không nói gì về các điều kiện cực đoan gần lỗ đen nơi trọng lực trở nên thực sự kỳ lạ.
Những Hạn Chế Chính Của Các Mô Hình Trọng Lực Entropy Hiện Tại
• Chỉ tái tạo được định luật Newton, không phải thuyết tương đối rộng của Einstein • Đòi hỏi các giả định tùy tiện về tương tác qubit • Không có bằng chứng độc lập nào cho các qubit được đề xuất • Không thể giải thích các trường hấp dẫn mạnh (lỗ đen) • Không giải quyết được các tính chất độc đáo của trọng lực (nguyên lý tương đương)
 |
|---|
| Các nhà khoa học tranh luận về tính hợp lệ của lý thuyết trọng lực entropy trong cộng đồng vật lý |
Thách thức kiểm nghiệm
Điều làm cho công trình mới nhất này thú vị là nó thực sự có thể được kiểm nghiệm, không giống như nhiều đề xuất vật lý lý thuyết khác. Các mô hình dự đoán rằng các vật thể lượng tử ở nhiều trạng thái đồng thời sẽ bị buộc phải chọn một trạng thái duy nhất do các hiệu ứng trọng lực. Điều này kết nối với các thí nghiệm đang diễn ra nghiên cứu cách các hệ thống lượng tử sụp đổ từ nhiều khả năng thành các trạng thái xác định.
Tuy nhiên, một số nhà vật lý vẫn không tin rằng những thử nghiệm này sẽ chứng minh điều gì có ý nghĩa về bản thân trọng lực. Các mô hình đòi hỏi các tương tác được thiết kế cẩn thận giữa các qubit được đề xuất và vật chất, khiến một số người đặt câu hỏi liệu điều này có đại diện cho tiến bộ thực sự hay chỉ là một cách phức tạp hơn để mô tả những gì chúng ta đã biết.
Cuộc tranh luận phản ánh sự căng thẳng rộng lớn hơn trong vật lý hiện đại giữa những người tìm cách hiểu trọng lực như một hiện tượng nổi lên từ vật lý vi mô sâu hơn, và những người tin rằng nó đại diện cho một khía cạnh cơ bản của không-thời gian. Mặc dù trọng lực entropy vẫn là quan điểm thiểu số, sự tồn tại dai dẳng của nó cho thấy rằng sự hiểu biết của chúng ta về lực quen thuộc nhưng bí ẩn nhất này vẫn còn xa mới hoàn chỉnh.
Tham khảo: Is Gravity Just Entropy Rising? Long Shot Idea Gets Another Look.