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重力は単なるエントロピーの上昇なのか?長期的なアイデアが再評価される

概要

  • 重力は本質的な力ではなく、集団的な現象 とする仮説の歴史と現状
  • NewtonやEinsteinの理論の限界 と、熱力学との関係性の発見
  • エントロピー重力理論 の現代的モデルとその仕組み
  • モデルの長所と短所、実験的検証の可能性
  • 理論物理学における今後の展望と課題

重力の本質を巡る歴史と新たな視点

  • Isaac Newtonは万有引力の法則 に満足せず、重力の本質的な仕組みを模索
  • 重力を「引力」ではなく「斥力」とする機械的モデル が17世紀に提案されるも、決定的な説明には至らず
  • Albert Einsteinが一般相対性理論 で重力を時空の歪みとして説明
  • 一般相対性理論もブラックホール等の極限で破綻 し、完全な理論ではないことが認識
  • 重力を集団的な現象(エマージェント現象) とみなすアイデアが現代物理学でも継続

エントロピー重力の現代的モデル

  • 2024年、Daniel Carneyらがエントロピー重力の新モデルを提案
    • 「見えない粒子や熱的システム」が質量に作用する仮説
    • エントロピー(無秩序)の増大 が重力の見かけの引力を生じさせる仕組み
  • エントロピー重力は少数派の理論 だが、理論物理学者の関心が継続
  • 新モデルは実験的検証が可能 という特徴を持つ点が注目

エントロピーと重力の関係性

  • 一般相対性理論と熱力学の意外な類似性
    • ブラックホールの不可逆性(成長のみ) が熱の流れと類似
    • エントロピーの増大が重力現象に関与 している可能性
  • Ted Jacobsonが1995年にエントロピー重力の基礎を構築
    • 時空の熱的性質から一般相対性理論の方程式を導出
    • 重力と熱の深い関係性への着目

カーニーらの具体的モデル

  • 第一モデル:空間に量子ビット(qubit)の格子が存在
    • 質量が近くにあるとqubitが偏極し、質量間に見かけの引力が発生
    • 秩序(低エントロピー)領域を小さく保つため、質量が引き合う
    • 万有引力の法則(距離の二乗に反比例)と同様の効果
  • 第二モデル:qubitは空間内の特定の位置を持たず、非局所的に作用
    • qubitのエネルギー容量が質量間の距離で変化
    • 質量が近づくほどエントロピーが上昇し、引き合う現象が発生
  • 両モデルとも「重力はqubitの集団的挙動の統計的平均」 として説明

モデルの評価と課題

  • 両モデルはアドホックで独立した証拠が存在しない
    • 力の強さや方向性の調整が必要で、人工的な印象
    • Einsteinの理論全体を説明できず、Newton力学の範囲に限定
  • 主流のホログラフィック原理との違い
    • ホログラムのように時空が現れるという考え方が主流
    • エントロピー重力モデルは「自由落下時に重力を感じない」等の重力特有の性質を再現できていない
  • 強い重力場(ブラックホール等)での説明力が不足

実験的検証と今後の展望

  • 新モデルは量子重力の実験的検証に新たな道を示唆
    • 量子状態の重ね合わせ(シュレディンガーの猫状態)と重力場の関係
    • qubitが量子重ね合わせを崩壊させる予測
  • 波動関数の収縮問題との関連
    • 無観測でも孤立した量子系が自発的に収縮する仮説
    • 同様の実験装置で検証可能
  • 主流理論との比較検証が今後の重要課題
    • ホログラフィック原理で重力が説明できるか未確定
    • 他のメカニズムの探索も価値があるとの意見

重力理論の未来

  • 重力の本質を巡る探究は続く
  • エントロピー重力のような少数派理論も、物理学の発展に新たな視点を提供
  • 実験的検証がさらなる理論進化を促す可能性
  • 重力と時空の根源的理解に向けた挑戦が継続

Hackerたちの意見

エントロピー重力は魅力的な枠組みだよね。ほとんどの物理学者は、まだ知られていない「すべての理論」が微視的で量子力学的であると信じたいと思ってると思う。重力のグローバルで非常に弱い力が、その理論から会計上のエラーみたいに現れるっていうのは、いい考えだよね。でも、これらの理論にはたくさんの仮定が含まれているから、「ほら、アインシュタインの場の方程式だ」って言われても、信じるのは難しいよ。

あなたの意見では、最も問題のある仮定は何だと思いますか?

ほとんどの物理学者は、未知のすべての理論が微視的で量子力学的であると信じたいと思っていることを認めていると思います。私も同意します。 > そして、重力のグローバルで非常に弱い力がその理論から会計上の誤差のように現れるということです。いや、たぶんそれは他の力と同じように、ただの変わったボソンのファミリーでしょう。記事から: > エントロピー重力は非常に少数派の見解です。でも、それは消えないし、反対派でさえ完全に無視するのは嫌がります。

ジェイコブソンは、熱力学 + 特殊相対性理論 = 一般相対性理論を示したんだ。これらはすごく一般的な仮定で、他に何を求めるか考えるのも難しいくらい。

記事から見ると、彼らはまだアインシュタインの場の方程式を主張していないし、今のところは古典的なニュートン重力だけだね。

なんか浮力みたいな感じ?

よくわからないな。私にとってエントロピーは物理的なものじゃなくて、システムについての不完全な知識を測る指標なんだ。物質の大まかな性質しか測れないから、真の微視的状態をどれだけ不完全に表しているかを定量化するために数字を作り出したんだ。でも、もし微視的なレベルにズームインできたら、エントロピーは意味をなさないと思う。だから、重力や他の基本的な物理的相互作用がエントロピーから導かれるとは思えない。これは人間が作り出したものだよ。

エントロピーは不完全な知識の関数じゃないよ。システムの可能な状態とその確率分布の関数なんだ。量子力学は、名前が示す通り、最小のレベルで現実が量子化できると仮定しているから、微視的なスケールでエントロピーを使うのは全く適切なんだよ。

コンピュータサイエンスで使う「エントロピー」という言葉は、物理学での使い方とは違うんだ。これについてのすごく良い説明がある素晴らしいトークがあるよ! https://youtu.be/Kr_S-vXdu_I?si=1uNF2g9OhtlMAS-G&t=2213

君の視点は間違ってるよ。物理的エントロピーは実際の物理プロセスを支配してる。簡単な例を挙げると、暖かい部屋で氷が溶ける理由だね。もう少し微妙な例だと、コードが時間とともに絡まる理由だよ。私たちのエントロピーの測定は、暖かい部屋に氷がある状態や絡まったケーブルの状態をマクロレベルで要約する方法と見なせるけど、その測定は説明している現象そのものとは違うんだ。ボルツマンのエントロピーへのアプローチは、第二法則をかなり直感的にしてくれる。システムが無秩序である方法は秩序である方法よりもはるかに多いから、時間が経つにつれてエントロピーが高くなる方向に進むんだ。だから、暖かい部屋で氷が溶けるんだよ。

その見方を取っても、重力は基本的に似たようなケースだよ。「重力」と呼ばれるものは、実際には見かけの力で、4次元の視点から見ると全く力じゃないんだ。t=0からt=終わりまでの全宇宙の外に座って、一つのブロック全体を観察しているところを想像してみて。すると、全く影響を受けない物質の軌道が、私たちが重力と呼ぶものになるんだ。この視点から見ると、重力をこれらの軌道の秩序ある特徴や無秩序な特徴と結びつけるのがもっと理にかなっているよ。この見方では、慣性は宇宙の物質分布が持つ一種のヒステリシスに過ぎない。つまり、宇宙が進化する中で持続する一種の記憶された変形なんだ。

いい質問だね。エントロピーは常にシステムについての完璧な知識がないことを説明する方法だというのはその通りだよ。ただし、エントロピーの力には明確な「現実」があって、実際に実験室で測定できるものなんだ。もし納得できないなら、こちらを見てみて: https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force そして、このトピックの初級クラスでいつも使われる例を特に見てみて: https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain だから、このように見るとエントロピーは単なる「作り上げられたもの」じゃなくて、観察された現象を説明する効果的な方法なんだ。それは物理学の効果的だけど基本的な法則にとって有用なんだ。実際、ウィキページにはエントロピーの力は「出現現象」だと書いてある。だから、エントロピー重力を信じる合理的な人は、重力を出現現象と呼ぶことになるんだ。彼らは、新しい基本的な重力理論が見つかるべきだと結論づけるはずで、その理論はエントロピーの確率的解釈を「復元」することになるんだ。エントロピー重力が興味深くてエキゾチックなのは、他の多くの基本理論の探求が重力の(多かれ少なかれ)直接的な量子化から始まるからで、古典力学を量子力学に導くようにね。エントロピー重力は、理想気体の法則を直接量子化しようとしないのと同じように、これが間違ったアプローチだと主張しているんだ。[0] これを強調したい:確率分布がなければエントロピーは存在しない、物理学においてもね。そうでないと主張する人は、19世紀に取り残されているかもしれない。おそらく、彼らは熱力学だけを学んで、統計力学を学んでいないからだよ。

エントロピーはポテンシャルの逆です。

あなたが話しているのは情報エントロピーのことのようですね。私の理解では、物理学のエントロピーとは似ているけど、同じではないんですよね?

もし一つの可能な過去だけを持ちたい(つまり、情報を破壊できない)なら、量子状態の一つの枝に入ったときに、他の枝と区別するために十分な情報を「保存」する必要があります。実際、区別するためには複数の可能なミクロ状態が必要です。事後的に見ると、特定の状態に入ったのは明らかですが、統計は別の働きをします。

それは人間が作り上げたものです。物理学全体が人間によって作られています。

このコメントスレッドは「誰もエントロピーを本当に理解していない」という証拠の一つだね。私の基本的な理解はこんな感じ:熱力学では、膨大な数のマイクロ状態や動的変数を、2〜3の測定可能なマクロ状態変数で説明するんだ。(例えば、理想気体のN, V, Eとか。)そのマクロ状態変数のダイナミクスを考えると、(第一近似、つまり熱力学的限界で)それらはシステムのエントロピー関数S(E, N, V)の形にだけ依存することがわかるんだ。もし他のマクロ状態変数、例えばエネルギーの分散σ²(E)や重心mを測定したら、新しい「エントロピー」S(E, N, V, σ²(E), m)に依存する新しい動的関係を作れるよ。1000個の変数を追加したり、100万個、例えば画像のすべてのピクセルまで、基本的には熱力学的限界の仮定が成り立たなくなるまでできる。得られるS関数は、マージナライズしているすべての変数が残りの変数間の関係にどのように寄与しているかを捉えるんだ。これが「不完全な知識」を表す意味なんだ。エントロピーの依存性はマクロ状態変数間の関係に数学的に現れるんだ。彼らは、この関数を通じてしか結びつけられないんだよ。これが機能するのはかなり驚きだね!いくつかの仮定に依存しているけど(凸性や因子分解可能性など)、ほとんどの、あるいはすべての平衡熱力学スケールのシステムに適用されるんだ。理想気体の場合、古典力学、古典確率、量子力学のシステムの記述は、この大規模なマージナリゼーションの下で同じS(N, V, E)関数に収束するんだ。彼らの基盤となる多様体構造の最も「ズームアウト」した視点は同じになるから、みんな同じことを説明しているんだ。(粒子のサイズのような一見明白なことが重要でないのは驚きだね。非漸近的なダイナミクスは、エネルギーが入る「スロット」の情報理論にだけ依存することがわかる。)これらすべては熱力学的限界における制限手続きの産物のように見えるけど、もしかしたらこれがもっと「リアル」なものかもしれない。特定しにくい量子デコヒーレンスが、これが非常に鋭い第一近似の限界で真実であるだけでなく、実際に物理的に真実であることにつながるかもしれない。最近はこの分野について追いついてないけど、重力にどう適用するかは全くわからないな。

実験物理学者として、新しい理論が観測可能な現象に結びつくまでは、ワクワクするのを拒否します。

こういうエマージェント理論の問題は、ニュートンの重力や一般相対性理論を導出しているから、テストするものがあるのかどうかが不明なことです。もし追加のMONDフィールドなしでMONDを予測できるなら、MONDが反証可能である限り、彼らも反証可能になります。

たまに考えるんだけど、もし物理学がブラックホールの存在を許さなかったら、どうやって理論をストレステストするんだろう? ブラックホールは宇宙論における標準ろうそくみたいなもので、理論的な進展を可能にしてくれるんだよね。

だから、ウルフラムのような理論には懐疑的なんだ。なんか過剰適合してる感じがする。いろんな既知の理論(特殊相対性理論、量子力学の一部、重力など)を生み出すけど、新しいテスト可能な予測や新しい基礎を作らないんだよね。理論から10個の予測が出てきて、それが全部既に知っているものだったら…過剰適合だよ。

2つのモデルのうち、短い最小記述長(MDL)を持つ方が、より良く一般化する可能性が高いよね。

でも、誰かがそれが実現不可能なアイデアだって示すまでの楽しい数学を考えてみてよ。

重力が宇宙の情報の働きから生まれる結果だというのは面白いアイデアだよね。でも、このモデルが一般相対性理論と違う何かを予測する明確な証拠はまだない気がする。今のところ、探求するのは楽しいけど、完全に受け入れるのは難しい理論の一つって感じ。

フレームドラッグの副産物じゃないかな?回転する大きな物体は、何かを引き寄せて、時空の渦に強制的に回転させてるってこと?つまり、何か大きなものが回転しなければ重力がないってことだけど、宇宙で重力を持つには十分大きいものはほぼ全部回転してるんじゃない?

デカルトも似たような考えを持ってたけど、私の記憶が正しければ、エーテルが必要なんだよね。

いや、多くの小惑星は検出可能な「機能的な」(例えば、周囲の塵を引き寄せる)重力場を持っているけど、惑星のように回転はしていないよ。

実験的に回転していない二つの物体の間の重力引力を観察できることを考えると、それが答えだとは思えないな。

エントロピー重力は「ブラジルナッツ効果」みたいなものだよ。[0] [1] 大きさの異なるナッツが入ったグラスを振ると、大きいものが上に浮かぶっていうアイデアなんだ。私の理解では、大きい物体は質量が大きく、振ったときに動きが遅くなるから、大きいブラジルナッツは小さいピーナッツに比べてあまり動かず、重力の影響でブラジルナッツの下に空洞ができて、そこにピーナッツが入るってこと。エントロピー重力では、何かの基底密度(粒子?亜原子粒子?)がランダムにあらゆる方向から物体に当たっているという考えなんだ。2つの大きな物体が近づくと、その中間領域は密度が低くなり、低密度の領域からの粒子が少ない頻度で当たるから、互いに引き寄せられるんだ。彼らは「影」を作るような感じ。私は物理学者じゃないけど、最後に調べたときには、何かの粒子が大きな物体に「当たる」密度についての仮定があって、その密度は正当化するのが難しかった。もっと知識のある人からの意見を聞きたいな。ちなみに、ブラジルナッツ効果は実際に存在する現象だよ。レーズンを得るためには、レーズンブランを振る。猫からのプレゼントを得るためには、猫のトイレを振る。驚くほどうまくいくんだ。[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection [1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM

でも、これらのナッツは重力で動くんじゃないの?宇宙で「上」と「下」って何なの?それがどうして重要なの?すべての天体は、じゃあ「ローカルな上」と「彼らから離れた下」なの?このアナロジー、頭が痛くなるわ。痛みを止める方法を教えて!

つまり、重力は統計力学(熱みたいな)で説明できるってこと?

でも、より質量のある粒子は小さいんじゃない?(少なくともド・ブロイ波長の観点からは)だから、より小さな「影」を持つってこと?それとも、異なる力は異なる断面積を持っていて、質量との関係が違うから、粒子の「大きさ」は異なる相互作用によって違うのかな?(重力に関しては質量に比例するかも)実際、今これが頭を混乱させてるんだけど、(通常の入門量子力学の)波動関数は、光子との相互作用を使って測定する時に粒子の位置の確率振幅だけを表していて、例えばZボソンとの相互作用を使った場合、粒子の「位置測定」は違うものになるの?

私の理解では、これは大きな物体は質量が多く、揺さぶられた時に動きが遅くなるから、大きな(ブラジルナッツ)が小さなもの(ピーナッツ)に対してあまり動かないってことだね。これは私には意味がわからない。大きな物体が遅く動くなら、容器の(加速する)基準フレームに対しては速く動くんじゃないの?それに、一般的な知恵では、揺さぶることで(一時的に)空間ができて、小さな物体はその空間に落ちるために「小さな」空間を必要とするから、よりその空間に落ちやすいって言われてるよね。

俺も物理学者じゃないけど、ファインマン講義のこの部分が君の言ってることに関係してる気がするな: https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_07.html 「重力のメカニズムはいくつか提案されてきた。これの一つを考えるのは面白い。多くの人が時々考えることだ。最初は“発見”した時にすごく興奮して嬉しいけど、すぐにそれが正しくないことに気づく。これは1750年頃に最初に発見された。もし、空間の中で非常に高い速度で全方向に動いている多くの粒子があって、物質を通過する時にわずかに吸収されるとしよう。吸収されると、地球にインパルスを与える。しかし、ある方向に進む粒子と別の方向に進む粒子の数は同じだから、インパルスは全てバランスする。でも、太陽が近くにある時、太陽を通って地球に向かう粒子は部分的に吸収されるから、他の側から来る粒子よりも太陽から来る粒子の方が少なくなる。だから、地球は太陽に向かってネットインパルスを感じるし、それが距離の二乗に反比例するのはすぐにわかる—距離を変えることで太陽が占める立体角が変わるからだ。このメカニズムの何が間違っているのか?新しい結果を伴っていて、それは真実ではない。この特定のアイデアには次のような問題がある:地球が太陽の周りを回るとき、前方から来る粒子の方が後方から来る粒子よりも多く衝突する(雨の中を走るとき、顔に当たる雨は後頭部の雨よりも強い!)。だから、前から地球に与えられるインパルスが多くなり、地球は動きに対する抵抗を感じて軌道で遅くなる。これによって地球が止まるまでの時間を計算できるけど、その時間は地球がまだ軌道にいるには短すぎるから、このメカニズムは機能しない。重力を「説明する」機械は、存在しない他の現象を予測せずには発明されたことがない。」

これは粒子物理学を説明しているより良いYouTube動画で、振動の速度(振幅)が粒子の直感に反する配置を引き起こすことを示しているよ。低速ではニュートン重力に似たものが得られるけど、高速ではMOND重力に似たものが得られて、銀河団や大きな空洞が現れる—ダークマターは必要ない。 https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4

「これに関する存在論は曖昧だね」

この視点が、ウルフラムのハイパーグラフに基づく物理モデルと合致するのか気になるな。重力は、この枠組みでは、ハイパーグラフの進化の統計的振る舞いから生じる現象で、重力はシステムが計算の複雑さを最小化しようとする傾向から生まれる「エントロピー的な力」だって示唆してるんだよね。

それに関連して、スカイリムの「宝物の狐重力」も見てみてね: https://www.eurogamer.net/skyrims-myth-of-the-treasure-fox-f... 要約すると、宝物の周りはエントロピーが高くて、主に狐の確率的な動きに関連してるんだ。だから、平均して宝物に向かって歩く方法が多いから、狐は宝物に引き寄せられる傾向があるんだよ。