الجاذبية الانتروبية

الجاذبية الانتروبية ، والمعروفة أيضًا بالجاذبية الناشئة ، هي نظرية في الفيزياء الحديثة تصف الجاذبية بأنها قوة انتروبية - أي قوة ذات تجانس على المستوى العياني ولكنها تخضع لاضطراب على المستوى الكمومي - وليست تفاعلًا أساسيًا . وتستند هذه النظرية إلى نظرية الأوتار ، وفيزياء الثقوب السوداء ، ونظرية المعلومات الكمومية ، وتصف الجاذبية بأنها ظاهرة ناشئة تنبع من التشابك الكمومي لأجزاء صغيرة من معلومات الزمكان . وبناءً على ذلك، يُقال إن الجاذبية الانتروبية تخضع للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، والذي ينص على أن إنتروبيا النظام الفيزيائي تميل إلى الزيادة مع مرور الوقت.

أثارت هذه النظرية جدلاً واسعاً داخل مجتمع الفيزياء، لكنها أدت إلى إجراء أبحاث وتجارب لاختبار صحتها.

في أبسط صورها، تنص النظرية على أنه عندما تصبح الجاذبية ضعيفة للغاية - وهي مستويات لا تُرى إلا على مسافات بين النجوم - فإنها تنحرف عن طبيعتها المفهومة كلاسيكيًا وتبدأ قوتها في التضاؤل ​​خطيًا مع المسافة من كتلة ما.

توفر الجاذبية الانتروبية إطارًا أساسيًا لشرح ديناميكيات نيوتن المعدلة ، أو MOND، والتي تنص على أنه عند عتبة تسارع الجاذبية التي تبلغ حواليعند 1.2 × 10⁻¹⁰ م/ث² ^،  تبدأ قوة الجاذبية بالتغير عكسيًا مع المسافة من الجسم، بدلًا من قانون التربيع العكسي المعتاد ^. هذه عتبة منخفضة للغاية، إذ تبلغ 12  جزءًا من تريليون من قوة الجاذبية على سطح الأرض ؛ فلو سقط جسم من ارتفاع متر واحد، لظل يسقط لمدة 36 ساعة لو كانت جاذبية الأرض بهذا الضعف. كما أنها أقل بـ 3000 مرة من بقايا مجال جاذبية الأرض الموجودة عند النقطة التي عبرت عندها المركبة الفضائية فوياجر 1 الغلاف الشمسي للنظام الشمسي ودخلت الفضاء بين النجوم.

تزعم هذه النظرية أنها تتوافق مع كلٍّ من الملاحظات الكلية للجاذبية النيوتونية ونظرية النسبية العامة لأينشتاين وتشوهها الجاذبي للزمكان. والأهم من ذلك، أن النظرية تفسر أيضاً (دون اللجوء إلى وجود المادة المظلمة أو تعديل معاييرها الحرة الجديدة ) سبب اختلاف منحنيات دوران المجرات عن الشكل المتوقع في وجود المادة المرئية.

تفترض نظرية الجاذبية الانتروبية أن ما فُسِّر على أنه مادة مظلمة غير مرصودة هو نتاج تأثيرات كمومية يمكن اعتبارها شكلاً من أشكال الطاقة المظلمة الموجبة التي ترفع طاقة الفراغ في الفضاء عن قيمتها الأساسية. ومن المبادئ الأساسية لهذه النظرية أن الطاقة المظلمة الموجبة تؤدي إلى مساهمة في الانتروبيا تخضع لقانون الحجم الحراري، وتتجاوز قانون المساحة في فضاء دي سيتر المضاد عند الأفق الكوني تحديدًا .

وبالتالي، تُقدّم هذه النظرية تفسيراً بديلاً لما يُنسب حالياً إلى المادة المظلمة في الفيزياء السائدة . ونظراً للاعتقاد السائد بأن المادة المظلمة تُشكّل الغالبية العظمى من كتلة الكون، فإن أي نظرية تغيب عنها ستكون لها آثار بالغة على علم الكونيات . فإلى جانب مواصلة العمل النظري في اتجاهات مختلفة، هناك العديد من التجارب المخطط لها أو الجارية حالياً للكشف عن خصائص المادة المظلمة أو تحديدها بدقة أكبر (بخلاف جاذبيتها)، وكل ذلك سيُقوّض بتفسير بديل للتأثيرات الجاذبية المنسوبة حالياً إلى هذا الكيان المراوغ.

يعود تاريخ الوصف الديناميكي الحراري للجاذبية إلى أبحاث جاكوب بيكنشتاين وستيفن هوكينغ حول الديناميكا الحرارية للثقوب السوداء في منتصف سبعينيات القرن الماضي. تشير هذه الدراسات إلى وجود صلة وثيقة بين الجاذبية والديناميكا الحرارية، التي تصف سلوك الحرارة. في عام ١٩٩٥، أثبت ثيودور جاكوبسون إمكانية اشتقاق معادلات أينشتاين للمجال التي تصف الجاذبية النسبية من خلال الجمع بين اعتبارات الديناميكا الحرارية العامة ومبدأ التكافؤ . ^{[ ١ ]} لاحقًا، بدأ فيزيائيون آخرون، أبرزهم ثانو بادمانابان وجينيسترا بيانكوني ، باستكشاف الروابط بين الجاذبية والإنتروبيا . ^{[ ٢ ] [ ٣ ] [ ٤ ]}

في عام ٢٠٠٩، اقترح إريك فيرليند نموذجًا مفاهيميًا يصف الجاذبية بأنها قوة إنتروبية. ^{[ ٥ ]} ويجادل (على غرار نتيجة جاكوبسون) بأن الجاذبية هي نتيجة "للمعلومات المرتبطة بمواقع الأجسام المادية". ^{[ ٦ ]} يجمع هذا النموذج بين المنهج الديناميكي الحراري للجاذبية ومبدأ جيرارد هوفت الهولوغرافي . ويشير إلى أن الجاذبية ليست تفاعلًا أساسيًا ، بل ظاهرة ناشئة تنشأ من السلوك الإحصائي لدرجات الحرية المجهرية المشفرة على شاشة هولوغرافية. وقد أثارت هذه الورقة البحثية ردود فعل متباينة من المجتمع العلمي. قال أندرو سترومينجر ، عالم نظرية الأوتار في جامعة هارفارد: "قال البعض إنه لا يمكن أن يكون صحيحًا، بينما قال آخرون إنه صحيح وكنا نعرفه بالفعل - إنه صحيح وعميق، صحيح وبديهي". ^{[ ٧ ]}

في يوليو 2011، قدم فيرليند المزيد من التطورات لأفكاره في مساهمة في مؤتمر سترينغز 2011، بما في ذلك تفسير لأصل المادة المظلمة. ^{[ 8 ]}

حظيت مقالة فيرليند بتغطية إعلامية واسعة، ^{[ 9 ] [ 10 ]} وأدت إلى متابعة فورية في علم الكونيات، ^{[ 11 ] [ 12 ]} وفرضية الطاقة المظلمة ، ^{[ 13 ]} والتسارع الكوني ، ^{[ 14 ] [ 15 ]} والتضخم الكوني ، ^{[ 16 ]} وجاذبية الكم الحلقية . ^{[ 17 ]} كما تم اقتراح نموذج مجهري محدد يؤدي بالفعل إلى ظهور جاذبية إنتروبية على نطاقات واسعة. ^{[ 18 ]} ويمكن أن تنشأ الجاذبية الإنتروبية من التشابك الكمي لآفاق ريندل المحلية . ^{[ 19 ]}

يُستمد قانون الجاذبية من الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية المطبقة على مبدأ الهولوغرام ، الذي ينص على أنه يمكن اعتبار وصف حجم الفضاء على النحو التالي:${\displaystyle N}$بتات من المعلومات الثنائية، مشفرة على حدود تلك المنطقة، سطح مغلق من المساحة${\displaystyle A}$تتوزع المعلومات بالتساوي على السطح، حيث تتطلب كل بتة مساحة تساوي${\displaystyle \ell _{\text{P}}^{2}}$، ما يسمى بمنطقة بلانك ، التي منها${\displaystyle N}$وبالتالي يمكن حساب ما يلي: $${\displaystyle N={\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}}$$ أين${\displaystyle \ell _{\text{P}}}$هو طول بلانك . يُعرَّف طول بلانك على النحو التالي: $${\displaystyle \ell _{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}$$ أين${\displaystyle G}$هو ثابت الجاذبية الكونية ،${\displaystyle c}$هي سرعة الضوء، و${\displaystyle \hbar }$هو ثابت بلانك المختزل . عند استبداله في معادلة${\displaystyle N}$وجدنا: $${\displaystyle N={\frac {Ac^{3}}{\hbar G}}}$$

تحدد نظرية التوزيع المتساوي الإحصائي درجة الحرارة${\displaystyle T}$نظام مع${\displaystyle N}$درجات الحرية من حيث طاقتها${\displaystyle E}$بحيث: $${\displaystyle E={\frac {1}{2}}Nk_{\text{B}}T}$$ أين${\displaystyle k_{\text{B}}}$هو ثابت بولتزمان . [لاحظ، مع ذلك، أنه وفقًا لنظرية التوزيع المتساوي للطاقة نفسها ، ينطبق هذا فقط على درجات الحرية التربيعية، أي على درجات الحرية تلك${\displaystyle Q}$والتي تكون مساهمتها في إجمالي الطاقة الداخلية على النحو التالي${\displaystyle Q^{2}}$وهذا يعني افتراض نموذج للمادة يتكون من مجموعة من المذبذبات التوافقية المستقلة. هذه هي الطاقة المكافئة للكتلة.${\displaystyle M}$وفق: $${\displaystyle E=Mc^{2}.}$$

درجة الحرارة الفعالة الناتجة عن تسارع منتظم في مجال فراغي وفقًا لتأثير أونرو هي: $${\displaystyle T={\frac {\hbar a}{2\pic ck_{\text{B}}}},}$$ أين${\displaystyle a}$هذا هو التسارع، الذي بالنسبة للكتلة${\displaystyle m}$سيعزى ذلك إلى قوة${\displaystyle F}$وفقًا لقانون نيوتن الثاني للحركة: $${\displaystyle F=ma.}$$

بافتراض أن الشاشة الهولوغرافية عبارة عن كرة نصف قطرها${\displaystyle r}$، ويمكن حساب مساحة السطح من خلال: $${\displaystyle A=4\pi r^{2}.}$$

من خلال التعويض الجبري لهذه القيم في العلاقات المذكورة أعلاه، يمكن استنتاج قانون نيوتن للجاذبية الكونية : $${\displaystyle F=m{\frac {2\pi ck_{\text{B}}T}{\hbar }}=m{\frac {4\pi c}{\hbar }}{\frac {E}{N}}=m{\frac {4\pi c^{3}}{\hbar }}{\frac {M}{N}}=m4\pi {\frac {GM}{A}}=G{\frac {mM}{r^{2}}}.}$$

لاحظ أن هذا الاشتقاق يفترض أن عدد البتات الثنائية للمعلومات يساوي عدد درجات الحرية. $${\displaystyle {\frac {A}{\ell _{\text{P}}^{2}}}=N={\frac {2E}{k_{\text{B}}T}}}$$

تُعيد الجاذبية الانتروبية، كما اقترحها فيرليند في مقالته الأصلية، إنتاج معادلات أينشتاين للمجال ، وفي تقريب نيوتني،${\displaystyle \ {\tfrac {\ 1\ }{r}}\ }$إمكانية وجود قوى جاذبية. ولأن نتائجها لا تختلف عن جاذبية نيوتن إلا في مناطق ذات مجالات جاذبية ضعيفة للغاية، فإن اختبار النظرية بتجارب مخبرية أرضية يبدو غير ممكن. أما التجارب الفضائية التي تُجرى عند نقاط لاغرانجية داخل النظام الشمسي فستكون مكلفة وصعبة.

مع ذلك، فقد واجهت نظرية الجاذبية الانتروبية بصيغتها الحالية تحدياتٍ كبيرة من الناحية النظرية. وقد بيّن مات فيسر ^{[ 20 ]} أن محاولة نمذجة القوى المحافظة في الحالة النيوتونية العامة (أي للجهود العشوائية وعدد غير محدود من الكتل المنفصلة) تؤدي إلى متطلبات غير فيزيائية للإنتروبيا المطلوبة، وتتضمن عددًا غير طبيعي من خزانات درجات الحرارة ذات درجات حرارة مختلفة. ويخلص فيسر إلى ما يلي:

لا شكّ معقول في الواقع الفيزيائي للقوى الإنتروبية، ولا شكّ معقول في أن النسبية العامة الكلاسيكية (وشبه الكلاسيكية) وثيقة الصلة بالديناميكا الحرارية [52-55]. واستنادًا إلى أعمال جاكوبسون [1-6]، وثانو بادمانابان [7-12]، وغيرهما، توجد أيضًا أسباب وجيهة للاعتقاد بإمكانية وجود تفسير ديناميكي حراري لمعادلات أينشتاين النسبية الكاملة. أما مدى جوهرية مقترحات فيرليند [26]، فسيتبين لاحقًا - فالبنية المعقدة نوعًا ما اللازمة لإعادة إنتاج جاذبية نيوتن بدقة في إطار مشابه لإطار فيرليند، تُثير التساؤلات بلا شك.

في سياق اشتقاق معادلات أينشتاين من منظور الجاذبية الانتروبية، يُبين تاور وانغ ^{[ 21 ]} أن تضمين متطلبات حفظ الطاقة والزخم، والتجانس الكوني، والتناظر، يُقيد بشدة فئة واسعة من التعديلات المحتملة للجاذبية الانتروبية، والتي استُخدم بعضها لتعميم الجاذبية الانتروبية بما يتجاوز الحالة الشاذة لنموذج معادلات أينشتاين الانتروبي. ويؤكد وانغ ما يلي:

كما تشير نتائجنا، فإن نماذج الجاذبية الانتروبية المعدلة من الشكل (2)، إن لم يتم القضاء عليها، يجب أن تعيش في غرفة ضيقة للغاية لضمان الحفاظ على الطاقة والزخم واستيعاب كون متجانس ومتناحي الخواص.

يمكن استخدام الرصد الكوني بالتقنيات المتاحة لاختبار النظرية. استنادًا إلى تأثير عدسة الجاذبية الناتج عن عنقود المجرات أبيل 1689، خلص نيوفينهاوزن إلى استبعاد نظرية الجاذبية الأرضية بشكل قاطع ما لم تُضَف نيوترينوات إضافية من نوع المادة المظلمة ذات طاقة إلكترون فولت. ^{[ 22 ]} وجد فريق من مرصد ليدن، من خلال رصد إحصائي لتأثير عدسة الجاذبية على مسافات كبيرة من مراكز أكثر من 33000 مجرة، أن هذه الحقول الجاذبية تتوافق مع نظرية فيرليند. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} باستخدام نظرية الجاذبية التقليدية، لا يمكن تفسير الحقول التي تشير إليها هذه الرصدات (وكذلك من منحنيات دوران المجرات المقاسة) إلا بتوزيع معين للمادة المظلمة . في يونيو 2017، أكدت دراسة أجراها الباحث كريس باردو من جامعة برينستون أن نظرية فيرليند لا تتوافق مع سرعات الدوران المرصودة للمجرات القزمة . ^{[ 26 ] [ أ ] [ 27 ]} وتقدم نظرية أخرى للإنتروبيا، تستند إلى اعتبارات هندسية (الديناميكا الحرارية الهندسية الكمية، QGT ^{[ 28 ]} )، أساسًا إنتروبيًا للمبدأ الهولوغرافي ^{[ 29 ]} ، كما تقدم تفسيرًا آخر لمنحنيات دوران المجرات باعتبارها ناتجة عن التأثير الإنتروبي ^{[ 28 ]} للثقب الأسود فائق الكتلة الموجود في مركز المجرة الحلزونية.

في عام 2018، أظهر كل من تشي-وي وانغ وصموئيل ل. براونشتاين أنه في حين أن أسطح الزمكان القريبة من الثقوب السوداء (التي تسمى الآفاق الممتدة) تخضع لنظير للقانون الأول للديناميكا الحرارية، فإن أسطح الزمكان العادية - بما في ذلك الشاشات الهولوغرافية - لا تخضع له بشكل عام، مما يقوض الافتراض الديناميكي الحراري الرئيسي لبرنامج الجاذبية الناشئ. ^{[ 30 ]}

• من البت – الجاذبية الانتروبية للمشاة ، بقلم ج. كولمان
• الجاذبية: القصة من الداخل ، بقلم تي بادمانابان
• التجارب تُظهر أن الجاذبية ليست ظاهرة ناشئة