แรงโน้มถ่วงเป็นเพียงปรากฏการณ์ที่เอนโทรปีเพิ่มขึ้นหรือไม่? สมมติฐานระยะยาวที่กลับมาได้รับความสนใจอีกครั้ง
(quantamagazine.org)- โมเดลใหม่ของทีม Daniel Carney มองแรงโน้มถ่วงไม่ใช่แรงพื้นฐาน แต่เป็นผลรวมหมู่ที่เกิดจาก การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี และได้รับความสนใจเพราะเปิดช่องที่ตรวจสอบได้ในการถกเถียงเรื่องแรงโน้มถ่วงควอนตัม
- แนวทางนี้มองว่าองค์ประกอบจุลภาคที่มองไม่เห็นมี ปฏิสัมพันธ์แบบสุ่ม กับมวล และผลเฉลี่ยของมันปรากฏเป็นปรากฏการณ์แรงโน้มถ่วงที่คุ้นเคย เช่น การโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์
- โมเดลทั้งสองจำลองรูปแบบ แปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง ของแรงโน้มถ่วงแบบ Newton ผ่านโครงข่าย qubit และ qubit ที่ไม่มีตำแหน่งแน่นอน แต่ Carney ก็ขีดเส้นไว้ว่าเป็นเหมือนการพิสูจน์หลักการมากกว่าโมเดลจักรวาลจริง
- ฝ่ายที่กังขาวิจารณ์ว่าโมเดลนี้ยังจัดการกับ ความโค้งของปริภูมิ-เวลา ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความพิเศษของการตกอย่างอิสระ และบริเวณแรงโน้มถ่วงรุนแรงอย่างหลุมดำไม่ได้
- การทดลองเพื่อหาความผันผวนเชิงสถิติในสนามโน้มถ่วงอ่อน หรือ การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น จากการซ้อนทับเชิงควอนตัมของวัตถุมีมวล อาจเป็นเวทีทดสอบจริงของสมมติฐานนี้ได้
ความพยายามเก่าแก่ในการมองแรงโน้มถ่วงเป็นผลรวมหมู่
- หลังจาก Newton ประกาศกฎแรงโน้มถ่วงสากลในปี 1687 เขาเองก็ยังไม่พอใจอย่างเต็มที่ว่า วัตถุสองชิ้นดึงดูดกันจากระยะไกลได้อย่างไร
- ในเวลานั้นมีการเสนอโมเดลเชิงกลที่มองแรงโน้มถ่วงไม่ใช่การดึงดูด แต่เป็นผลของการผลัก
- แนวคิดคือ อนุภาคที่มองไม่เห็นกระแทกวัตถุจากทุกทิศทาง และระหว่างวัตถุสองชิ้น ผลจากการดูดซับอนุภาคทำให้เกิดแรงลัพธ์ในทิศทางที่ทำให้ทั้งสองเข้าใกล้กัน
- ทฤษฎีเหล่านี้ไม่ประสบความสำเร็จ และ Einstein เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่อธิบายแรงโน้มถ่วงว่าเป็น การบิดเบี้ยวของอวกาศและเวลา
- อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็ยังยากจะมองว่าเป็นทฤษฎีสุดท้าย ความพยายามที่จะเข้าใจแรงโน้มถ่วงว่าเป็นผลของ พฤติกรรมรวมหมู่ ในระดับจุลภาคที่ลึกกว่า จึงยังดำเนินต่อไป
แนวคิดพื้นฐานของแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปี
- ทีม Lawrence Berkeley National Laboratory ที่นำโดย Carney เสนอแนวทางที่ใกล้เคียงกับโมเดลเชิงกลแบบศตวรรษที่ 17 ในเวอร์ชันสมัยใหม่ ใน บทความใหม่ เมื่อต้นปีนี้
- สมมติฐานหลักคือ “ก๊าซหรือระบบความร้อน” ที่มองไม่เห็นมีปฏิสัมพันธ์แบบสุ่มกับมวล และโดยเฉลี่ยแล้วปรากฏการณ์แรงโน้มถ่วงที่คุ้นเคย เช่น โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ จะปรากฏออกมา
- แนวทางนี้เรียกว่า แรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปี (entropic gravity) โดยตีความฟิสิกส์ที่ลึกกว่าในฐานะฟิสิกส์ของความร้อน
- การสั่นไหวและการผสมปนเปแบบสุ่มของอนุภาคที่ควบคุมเครื่องจักรไอน้ำ เครื่องยนต์รถยนต์ และตู้เย็น
- เอนโทรปีที่ตามมา หรือการเพิ่มขึ้นของความไร้ระเบียบ
- เป็นมุมมองว่ากระบวนการเหล่านี้ก่อให้เกิดแรงโน้มถ่วง
- แรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีปรากฏซ้ำ ๆ มาหลายทศวรรษ แต่ยังคงเป็นความเห็นส่วนน้อย
- จุดเด่นของโมเดลครั้งนี้คือ การเสนอ ความเป็นไปได้ในการทดลอง ซึ่งหาได้ยากสำหรับทฤษฎีที่กล่าวถึงต้นกำเนิดของแรงดึงดูดสากล
จุดตัดอันประหลาดระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับอุณหพลศาสตร์
- ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าดาวฤกษ์อาจยุบตัวกลายเป็นหลุมดำได้ แต่ที่ศูนย์กลางของหลุมดำ แรงโน้มถ่วงจะรุนแรงเป็นอนันต์ และทฤษฎีไม่สามารถบอกต่อไปได้ว่าเกิดอะไรขึ้น
- แม้แนวคิดเรื่องความร้อนจะไม่ได้ถูกใส่เข้าไปในขั้นตอนการพัฒนา แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกลับมี คุณสมบัติที่คล้ายอุณหพลศาสตร์
- หลุมดำมีแต่ใหญ่ขึ้น ไม่เล็กลง
- มันกลืนกินเท่านั้น ไม่คายกลับออกมา
- ความไม่ผันกลับเช่นนี้คล้ายกับการไหลของความร้อน
- เมื่อใช้กลศาสตร์ควอนตัมศึกษาปริภูมิ-เวลาที่บิดเบี้ยวรอบหลุมดำ หลุมดำจะปล่อยพลังงานออกมาเหมือนวัตถุร้อน
- หากความร้อนคือการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาค ผลเชิงความร้อนเหล่านี้ก็บ่งชี้ความเป็นไปได้ว่า หลุมดำและความต่อเนื่องของปริภูมิ-เวลาอาจประกอบขึ้นจากอนุภาคหรือองค์ประกอบจุลภาคบางอย่าง
บทความปี 1995 ของ Jacobson และแนวทางเดิม
- นักฟิสิกส์ได้อาศัยเบาะแสจากหลุมดำเพื่อศึกษาด้วยหลายวิธีว่า ปริภูมิ-เวลาเกิดขึ้นจากองค์ประกอบจุลภาคที่ลึกกว่าได้อย่างไร
- แนวทางสำคัญอย่าง หลักการโฮโลกราฟิก เปรียบการเกิดขึ้นของปริภูมิ-เวลากับโฮโลแกรมทั่วไป
- เช่นเดียวกับลวดลายคลื่นบนพื้นผิวแบนที่สร้างความรู้สึกมีมิติความลึก รูปแบบขององค์ประกอบจุลภาคของจักรวาลก็อาจสร้างมิติอวกาศอีกมิติหนึ่งขึ้นมาได้
- หากมิติใหม่นี้โค้งงอ แรงโน้มถ่วงก็เกิดขึ้นได้อย่างเป็นธรรมชาติ
- Ted Jacobson จาก University of Maryland นำเสนอแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีใน บทความปี 1995
- หากงานวิจัยก่อนหน้านำผลลัพธ์ที่คล้ายความร้อนออกมาจากทฤษฎีของ Einstein, Jacobson กลับทำในทางตรงกันข้าม โดยสมมติ คุณสมบัติเชิงความร้อนของปริภูมิ-เวลา แล้วอนุมานสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปออกมา
- สำหรับ Carney ผลลัพธ์นี้เป็นสัญญาณว่าความขนานกันระหว่างแรงโน้มถ่วงกับความร้อนมีความสำคัญ
โมเดลแรกของทีม Carney: โครงข่าย qubit
- Carney กับ Manthos Karydas, Thilo Scharnhorst, Roshni Singh และ Jacob Taylor เสนอโมเดลสองแบบว่า แรงดึงดูดโน้มถ่วงอาจเกิดจากองค์ประกอบจุลภาคได้อย่างไร
- ในโมเดลแรก อวกาศถูกเติมเต็มด้วยโครงข่ายผลึกของอนุภาคควอนตัมหรือ qubit
- qubit แต่ละตัวมีทิศทางเหมือนเข็มทิศ
- เมื่อมีวัตถุที่มีมวลอยู่ใกล้ ๆ qubit รอบข้างจะเรียงตัวตามวัตถุนั้น
- วัตถุมีมวลสร้างบริเวณที่มี ระเบียบสูง ขึ้นภายในโครงข่าย qubit ซึ่งเดิมมีทิศทางแบบสุ่ม
- เมื่อใส่มวลสองก้อนเข้าไปในโครงข่าย ก็จะเกิดบริเวณที่มีระเบียบสูงสองแห่ง และระเบียบสูงสอดคล้องกับเอนโทรปีต่ำ
- เนื่องจากระบบมีแนวโน้มจะเพิ่มเอนโทรปีให้สูงสุด จึงเกิดผลที่ผลักมวลทั้งสองให้เข้าใกล้กัน เพื่อทำให้บริเวณที่เป็นระเบียบมีขนาดเล็กลง
- ภายนอกดูเหมือนมวลสองก้อนดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง แต่การกระทำจริงเป็นหน้าที่ของ qubit
- แรงดึงดูดที่ปรากฏนี้ลดลงตามระยะห่างระหว่างมวลสองก้อนแบบ แปรผกผันกับกำลังสอง เช่นเดียวกับกฎของ Newton
โมเดลที่สอง: qubit ที่ไม่มีตำแหน่งแน่นอน
- โมเดลที่สองตัดโครงข่ายออกไป
- วัตถุมีมวลยังคงอยู่ในอวกาศและได้รับผลจาก qubit แต่ qubit ไม่ได้ครอบครองตำแหน่งเฉพาะ และอาจอยู่ห่างไกลกันได้
- คุณลักษณะนี้เป็นกลไกที่พยายามบรรจุ ความไม่เป็นท้องถิ่น ของแรงโน้มถ่วงแบบ Newton
- นั่นคือคุณสมบัติที่วัตถุทุกชิ้นในจักรวาลกระทำต่อวัตถุอื่นทุกชิ้นในระดับหนึ่ง
- qubit แต่ละตัวสามารถเก็บพลังงานได้ และปริมาณที่เก็บได้เปลี่ยนไปตามระยะห่างระหว่างมวล
- หากมวลอยู่ห่างกัน ความจุพลังงานของ qubit หนึ่งตัวจะเพิ่มขึ้น ทำให้พลังงานทั้งหมดสามารถถูกใส่ไว้ใน qubit เพียงไม่กี่ตัวได้
- หากมวลเข้าใกล้กัน ความจุพลังงานของ qubit หนึ่งตัวจะลดลง ทำให้พลังงานทั้งหมดต้องกระจายไปยัง qubit จำนวนมากขึ้น
- สภาวะที่พลังงานกระจายไปยัง qubit มากขึ้นสอดคล้องกับเอนโทรปีที่สูงกว่า ดังนั้นระบบจึงผลักมวลให้เข้าใกล้กัน และสอดคล้องกับแรงโน้มถ่วงของ Newton
ข้อจำกัดของโมเดลและความกังขา
- Carney เตือนว่าโมเดลทั้งสองล้วนเป็นแบบ เฉพาะกิจ (ad hoc)
- ไม่มีหลักฐานอิสระว่า qubit เหล่านี้มีอยู่จริง
- ต้องปรับจูนความแรงและทิศทางของแรงที่ qubit กระทำอย่างละเอียด
- ยังไม่แน่ชัดว่าดีกว่ามุมมองที่ถือว่าแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งพื้นฐานหรือไม่
- สิ่งที่โมเดลเหล่านี้จำลองได้มีเพียงกฎแรงโน้มถ่วงของ Newton ไม่ใช่ทฤษฎีของ Einstein ทั้งหมดที่ถือว่าแรงโน้มถ่วงเป็นความโค้งของปริภูมิ-เวลา
- สำหรับ Carney โมเดลเหล่านี้ไม่ใช่โมเดลจริงจังของการทำงานของจักรวาลจริง แต่ใกล้เคียงกับการพิสูจน์หลักการว่า พฤติกรรมรวมหมู่ สามารถอธิบายแรงดึงดูดโน้มถ่วงได้
- Mark Van Raamsdonk จาก University of British Columbia สงสัยด้วยซ้ำว่าโมเดลเหล่านี้เป็นการพิสูจน์หลักการหรือไม่
- ในฐานะนักวิจัยด้านโฮโลกราฟี เขามองว่าโมเดลเอนโทรปีใหม่เหล่านี้ไม่มีคุณสมบัติพิเศษของแรงโน้มถ่วง เช่น ข้อเท็จจริงที่ว่าเราไม่รู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงระหว่างการตกอย่างอิสระ
- สำหรับ Ramy Brustein จาก Ben-Gurion University โจทย์จริงของฟิสิกส์แรงโน้มถ่วงคือบริเวณ คัปปลิงรุนแรงและสนามรุนแรง อย่างหลุมดำ และโมเดลเอนโทรปีนี้ไม่สามารถกล่าวถึงบริเวณนั้นได้
สัญญาณที่อาจพบได้ในสนามโน้มถ่วงอ่อน
- ผู้สนับสนุนแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีมองว่า นักฟิสิกส์ไม่ควรมั่นใจเกินไปว่าแรงโน้มถ่วงทำงานอย่างไรในแรงโน้มถ่วงอ่อน
- หากแรงโน้มถ่วงเป็นผลรวมหมู่ของ qubit กฎแรงของ Newton ก็เท่ากับ ค่าเฉลี่ยเชิงสถิติ
- ผลในแต่ละขณะอาจแกว่งไปรอบ ๆ ค่าเฉลี่ยนั้น
- Erik Verlinde จาก University of Amsterdam มองว่าความผันผวนเช่นนี้อาจสังเกตได้ จึงต้องไปยังสนามที่อ่อนมาก
- Verlinde เสนอแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีใน บทความปี 2010 และพัฒนาแนวคิดนี้ต่อมาตั้งแต่นั้น
ทิศทางที่เชื่อมไปสู่การทดลองการซ้อนทับและการยุบตัวเชิงควอนตัม
- Carney มองว่าข้อดีหลักของโมเดลใหม่คือการตั้งคำถามเชิงแนวคิดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและเปิดทิศทางการทดลองใหม่
- หากวัตถุที่มีมวลอยู่ในสถานะ การซ้อนทับเชิงควอนตัม (superposition) ของสองตำแหน่ง ก็เกิดคำถามว่าสนามโน้มถ่วงของมันจะซ้อนทับด้วย และดึงวัตถุที่กำลังตกไปสองทิศทางหรือไม่
- โมเดลแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีใหม่ทำนายว่า qubit จะกระทำต่อวัตถุมีมวล ทำให้มันหลุดออกจากสถานะซ้อนทับแบบแมวของ Schrödinger
- สถานการณ์นี้เชื่อมโยงกับปัญหา การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น
- ปัญหาการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นถามว่า เมื่อวัดระบบควอนตัมที่อยู่ในสถานะซ้อนทับ เหตุใดสถานะที่เป็นไปได้หลายสถานะจึงกลายเป็นสถานะชัดเจนเพียงสถานะเดียว
- นักฟิสิกส์บางส่วนเสนอว่าการยุบตัวเกิดจากความสุ่มโดยเนื้อแท้ของจักรวาล
- โมเดลการยุบตัวเหล่านี้แตกต่างจากโมเดลของ Carney ในรายละเอียด แต่อาจให้ผลการทดลองที่คล้ายกันได้
- นั่นคือคำทำนายว่า แม้ระบบควอนตัมที่ถูกแยกเดี่ยวจะไม่ถูกวัดหรือได้รับอิทธิพลจากภายนอก สุดท้ายก็จะยุบตัวเอง
- Angelo Bassi จาก University of Trieste มองว่า โดยหลักการแล้ว อุปกรณ์ทดลองเดียวกันสามารถใช้ตรวจสอบโมเดลทั้งสองประเภทได้
- Bassi เป็นผู้นำการทดลองลักษณะนี้ และโมเดลการยุบตัวบางส่วนถูกตัดทิ้งไปแล้ว
นัยระยะยาว
- Van Raamsdonk แม้จะกังขา แต่ก็เห็นว่าควรค่าแก่การสำรวจกลไกอื่น ๆ เพราะยังไม่ได้รับการพิสูจน์แน่ชัดว่าแรงโน้มถ่วงจริงในจักรวาลของเรามาจากโฮโลกราฟี
- หากสมมติฐานระยะยาวนี้ถูกต้อง แรงโน้มถ่วงอาจเป็น แนวโน้มเชิงสถิติ มากกว่ากฎ
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
มองว่า แรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปี คล้ายกับ “ปรากฏการณ์ถั่วบราซิล” [0] [1] ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เมื่อเขย่าถ้วยที่มีถั่วหลายขนาด เม็ดใหญ่จะลอยขึ้นไปด้านบน
เท่าที่เข้าใจ วัตถุขนาดใหญ่มีมวลมากกว่า จึงเคลื่อนที่ช้ากว่าเมื่อถูกเขย่า และเพราะถั่วบราซิลเคลื่อนที่น้อยกว่าถั่วลิสง จึงเกิดช่องว่างด้านล่างมันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง แล้วถั่วลิสงก็เข้าไปเติมช่องว่างนั้น
ในแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปี ดูเหมือนจะมองว่ามีอะไรบางอย่างที่มีความหนาแน่นพื้นฐาน เช่น อนุภาคหรืออนุภาคย่อยของอะตอม ชนวัตถุแบบสุ่มจากทุกทิศทาง เมื่อวัตถุมวลมากสองชิ้นเข้ามาใกล้กัน ความหนาแน่นในบริเวณตรงกลางจะลดลง และเพราะอนุภาคชนจากบริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำนี้น้อยกว่า จึงเหมือนกับว่าพวกมันดึงดูดกัน กล่าวคือเกิด “เงา” บางอย่างขึ้น
ผมไม่ใช่นักฟิสิกส์ แต่ตอนที่เคยลองค้นดู จำได้ว่ามีสมมติฐานเกี่ยวกับความหนาแน่นของอนุภาคที่ “ชน” วัตถุมวลมาก และการให้เหตุผลรองรับความหนาแน่นนั้นทำได้ยาก ถ้ามีใครที่รู้ดีกว่าช่วยแก้ไขหรืออธิบายเพิ่มเติมได้ก็คงดี
เพิ่มเติมคือ ปรากฏการณ์ถั่วบราซิล เกิดขึ้นได้ดีมากจริง ๆ ถ้าอยากได้ลูกเกดก็เขย่า raisin bran และถ้าอยากหาของฝากที่แมวทิ้งไว้ก็เขย่าทรายแมว ใช้ได้ดีอย่างน่าทึ่ง
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Granular_convection
[1] https://www.youtube.com/watch?v=Incnv2CfGGM
เคยมีการเสนอหลายกลไกเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วง และหนึ่งในนั้นสมมติว่าในจักรวาลมีอนุภาคจำนวนมากเคลื่อนที่เร็วมากในทุกทิศทาง และเมื่อผ่านสสารจะถูกดูดกลืนไปเล็กน้อย หากดวงอาทิตย์อยู่ใกล้ อนุภาคที่ผ่านดวงอาทิตย์มายังโลกจะถูกดูดกลืนไปบางส่วน จึงมาถึงน้อยกว่าฝั่งตรงข้าม และโลกจะได้รับแรงลัพธ์ไปทางดวงอาทิตย์ กฎที่แปรผกผันกับกำลังสองของระยะทางก็ได้ออกมาอย่างง่ายดาย
แต่เมื่อโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ โลกจะชนกับอนุภาคที่มาจากทิศทางการเคลื่อนที่มากกว่า จึงควรได้รับแรงต้านต่อการเคลื่อนที่และช้าลงในวงโคจร เมื่อคำนวณแล้ว โลกจะไม่สามารถคงอยู่ในวงโคจรได้นานพอจนถึงปัจจุบัน ดังนั้นกลไกนี้จึงใช้ไม่ได้ ใจความคือยังไม่เคยมีการประดิษฐ์กลไกใดที่ “อธิบาย” แรงโน้มถ่วงโดยไม่ทำนายปรากฏการณ์อื่นที่ไม่มีอยู่จริง
ที่ความเร็วต่ำ จะได้สิ่งที่คล้ายกับแรงโน้มถ่วงแบบนิวตัน แต่ที่ความเร็วสูง จะได้รูปแบบคล้ายแรงโน้มถ่วงแบบ MOND ซึ่งมีกระจุกดาราจักรและโพรงขนาดใหญ่ปรากฏขึ้น และดูเหมือนไม่จำเป็นต้องมีสสารมืด
https://www.youtube.com/watch?v=HKvc5yDhy_4
https://en.wikipedia.org/wiki/Rubber_band_experiment
“การยืดยางรัดเป็นการขยายตัวแบบความดันคงที่ (A → B) ที่เพิ่มพลังงานแต่ลดเอนโทรปี”
ในแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีของ Verlinde มีปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงที่ทำให้การเชื่อมต่อระหว่างมวลสองก้อนกลับไปสู่สภาพที่ “ถูกยืดน้อยลง” วัตถุสองชิ้นยิ่งอยู่ใกล้กันก็ยิ่งมีเอนโทรปีสูงกว่าตอนอยู่ไกลกัน และเกิดแรงตึงชนิดหนึ่งที่ดึงวัตถุที่อยู่ห่างกันให้เข้าหากัน
ในแนวทางของ Carney และคณะ มี “แรงดันที่ส่งผ่านโดยระบบจุลภาคซึ่งขับเคลื่อนด้วยค่าสุดขีดของพลังงานอิสระ” ซึ่งหมายความว่าเมื่อวัตถุอยู่ไกลกัน เอนโทรปีจะต่ำกว่าตอนอยู่ใกล้กัน เอนโทรปีนี้มาจากก๊าซ และเมื่อวัตถุอยู่ใกล้กัน แรงดันจะต่ำกว่า ส่วนเมื่ออยู่ไกลกัน แรงดันจะสูงกว่า แรงดันเป็นสิ่งตรงข้ามกับแรงตึง ดังนั้นในภาพรวม ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีทั้งสองแบบจึงมีโครงสร้างที่วัตถุเคลื่อนที่เข้าหากันด้วยแรงเอนโทรปี ซึ่งเป็นกฎสากลที่เทียบได้กับกฎของนิวตัน
แรงเอนโทรปีนี้ไม่ใช่สิ่งพื้นฐาน แต่เกิดจากพฤติกรรมเชิงสถิติขององศาอิสระเชิงควอนตัมหรือระดับจุลภาคในฉากหลังแบบโฮโลกราฟิก กล่าวคือฉากหลังที่มีมิติมากกว่า 3+1 มิติ เป็นแนวคิดที่มีกลิ่นอายของ ทฤษฎีสตริง มาก
อย่างไรก็ตาม หากแรงเอนโทรปีไม่ได้เป็นแนวรัศมีอย่างเคร่งครัด ก็ทำให้ใช้งานได้ยากมาก และยังมองเห็นได้ยากด้วยว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในบริเวณที่ผ่านการตรวจสอบมาอย่างดีแล้วจะออกมาได้อย่างไร
คำอธิบายทั่วไปคือการเขย่าทำให้เกิดพื้นที่ว่างชั่วคราว และวัตถุขนาดเล็กสามารถตกลงไปด้านล่างผ่านช่องว่างที่เล็กกว่าได้ จึงมีโอกาสเข้าไปในช่องว่างแบบนั้นสูงกว่า
แรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปี เป็นกรอบความคิดที่น่าสนใจ ผมคิดว่านักฟิสิกส์จำนวนมากคงอยากเชื่อว่าทฤษฎีสรรพสิ่งที่เรายังไม่รู้จักนั้นเป็นแบบจุลภาคและควอนตัมเชิงกลศาสตร์ และแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นสิ่งครอบคลุมทั้งระบบและอ่อนแรงอย่างยิ่งนั้นเกิดขึ้นจากทฤษฎีนั้นเหมือนเป็นข้อผิดพลาดทางบัญชีบางอย่าง
แต่ทฤษฎีแบบนี้มีสมมติฐานแฝงอยู่มากเกินไป จึงยากที่จะเชื่อได้ง่าย ๆ เมื่อมีคนบอกว่า “ดูสิ นี่คือสมการสนามของไอน์สไตน์”
แต่ยากที่จะเห็นด้วยว่าแรงโน้มถ่วงจะออกมาจากทฤษฎีนั้นเหมือนข้อผิดพลาดทางบัญชี น่าจะมีความเป็นไปได้มากกว่าว่ามันเป็น ตระกูลโบซอน แปลก ๆ อีกแบบ เช่นเดียวกับแรงอื่น ๆ
ในบทความก็กล่าวว่าแรงโน้มถ่วงเชิงเอนโทรปีเป็นความเห็นส่วนน้อยมาก แต่ยังไม่หายไป และแม้แต่ฝ่ายคัดค้านก็ยังลังเลที่จะเมินเฉยต่อมันโดยสิ้นเชิง
ในฐานะนักฟิสิกส์เชิงทดลอง ผมพยายามจะไม่ตื่นเต้นจนกว่าทฤษฎีใหม่จะสามารถแยกแยะปัญหานี้ได้ด้วย ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้
ถ้าทฤษฎีหนึ่งให้คำทำนายออกมา 10 ข้อ แต่ทั้งหมดเป็นสิ่งที่เรารู้อยู่แล้ว ก็ดูเหมือน overfitting
ไม่เข้าใจ
สำหรับผม เอนโทรปี ไม่ใช่实体ทางกายภาพ แต่เป็นมาตรวัดความรู้ที่ไม่สมบูรณ์ของเราเกี่ยวกับระบบหนึ่ง ๆ เพราะเราวัดได้เพียงสมบัติมหภาคของสสาร ผมจึงมองว่ามันเป็นตัวเลขที่สร้างขึ้นเพื่อวัดเชิงปริมาณว่าสมบัติมหภาคนั้นอธิบายสถานะจุลภาคที่แท้จริงของระบบได้ไม่สมบูรณ์เพียงใด ถ้าเราขยายเข้าไปดูได้ถึงระดับจุลภาค เอนโทรปีน่าจะหมดความหมาย
ดังนั้นผมจึงไม่เข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงหรืออันตรกิริยาพื้นฐานทางฟิสิกส์อื่น ๆ จะออกมาจากเอนโทรปีได้อย่างไร ผมคิดว่ามันเป็นเพียงแนวคิดที่มนุษย์สร้างขึ้น
เอนโทรปีทางกายภาพ กำกับกระบวนการทางฟิสิกส์จริง ๆ ตัวอย่างง่าย ๆ คือเหตุผลที่น้ำแข็งละลายในห้องอุ่น ๆ และตัวอย่างที่ละเอียดกว่านั้นคือเหตุผลที่สายไฟพันกันเมื่อเวลาผ่านไป
ค่าที่วัดได้ของเอนโทรปีอาจมองได้ว่าเป็นวิธีสรุปสถานะของระบบในระดับมหภาค เช่น ห้องอุ่น ๆ ที่มีน้ำแข็งอยู่ หรือสายเคเบิลที่พันกัน แต่มันไม่ใช่สิ่งเดียวกับปรากฏการณ์ที่ค่าที่วัดนั้นอธิบาย
เอนโทรปีแบบ Boltzmann ทำให้กฎข้อที่สองค่อนข้างเข้าใจได้โดยสัญชาตญาณ เนื่องจากระบบมีวิธีอยู่ในสถานะไร้ระเบียบมากกว่าสถานะมีระเบียบอย่างมหาศาล เมื่อเวลาผ่านไประบบจึงมุ่งไปสู่เอนโทรปีที่สูงขึ้น และนั่นคือเหตุผลที่น้ำแข็งละลายในห้องอุ่น ๆ
ถึงอย่างนั้น แรงเอนโทรปี ก็มี “ความเป็นจริง” อย่างชัดเจน เพราะสามารถวัดได้จริงในห้องทดลอง ถ้ายังไม่คล้อยตาม ลองดู https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_force โดยเฉพาะตัวอย่างที่ใช้เสมอเมื่อเริ่มเรียนเรื่องนี้อย่าง https://en.wikipedia.org/wiki/Ideal_chain
ในมุมมองนี้ เอนโทรปีไม่ใช่แค่สิ่งที่ “แต่งขึ้น” แต่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ ดังนั้นแม้จะไม่ใช่กฎมูลฐาน แต่มันก็มีประโยชน์ต่อ กฎฟิสิกส์เชิงผล จริง ๆ หน้า Wikipedia เองก็เรียกแรงเอนโทรปีว่า “ปรากฏการณ์อุบัติ”
ดังนั้นคนที่มีเหตุผลซึ่งเชื่อในแรงโน้มถ่วงเอนโทรปี ย่อมต้องเรียกแรงโน้มถ่วงว่าเป็นปรากฏการณ์อุบัติโดยอัตโนมัติ และยังต้องสรุปว่าจำเป็นต้องมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงมูลฐานใหม่ที่จะ “ฟื้นคืน” การตีความเชิงความน่าจะเป็นของเอนโทรปี
เหตุผลที่แรงโน้มถ่วงเอนโทรปีน่าสนใจและแปลกใหม่ คือการค้นหาทฤษฎีมูลฐานอื่น ๆ จำนวนมากเริ่มจากการทำควอนไทซ์แรงโน้มถ่วงแทบจะโดยตรง คล้ายกับการทำควอนไทซ์กลศาสตร์คลาสสิกเพื่อไปถึงกลศาสตร์ควอนตัม แต่แรงโน้มถ่วงเอนโทรปีมองว่านั่นเป็นแนวทางที่ผิด คล้ายกับที่เราไม่พยายามทำควอนไทซ์กฎแก๊สอุดมคติโดยตรง
[0] แม้ในฟิสิกส์ก็ ไม่มีเอนโทรปีหากไม่มีการแจกแจงความน่าจะเป็น คนที่พูดเป็นอย่างอื่นคงเรียนมาแค่อุณหพลศาสตร์แต่ไม่ได้เรียนกลศาสตร์สถิติ จึงยังติดอยู่ในศตวรรษที่ 19
ไม่จำเป็นต้องดึงเรื่องความรู้ของเราเข้ามาเกี่ยวข้อง เอนโทรปีเป็นมาตรวัดจำนวนสถานะจุลภาคที่เป็นไปได้ของระบบที่กำหนด และจำนวนนั้นมีอยู่โดยเป็นอิสระจากเรา
ผมเชื่อในแรงโน้มถ่วงเอนโทรปีมานานแล้ว และมองว่ามันเกิดจาก ฟองควอนตัม ในบริเวณอวกาศที่ไม่มีอะไรเลย ฟองควอนตัมของอวกาศนั้นน่าจะสุ่มอย่างสม่ำเสมอโดยสมบูรณ์
เมื่อมีมวลและพลังงาน สถานะของอวกาศจะถูกเอนเอียงและสุ่มน้อยลง สิ่งนี้สร้างความชันของเอนโทรปี ยิ่งไปกว่านั้น มันยังอธิบายได้ไม่เพียงแรงโน้มถ่วง แต่รวมถึงเหตุผลที่ดูเหมือนว่าอวกาศระหว่างกาแล็กซีมีพลังงานลบและการขยายตัวของอวกาศด้วย
ผมดีใจที่มีงานวิจัยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงเอนโทรปีออกมาเพิ่มเติม และคิดว่านี่เป็นคำอธิบายที่สมเหตุสมผลกว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงอื่น ๆ ส่วนใหญ่ที่เคยได้ยินมา
ทุกคนรู้กันว่าสิ่งมีชีวิตบนโลกได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์
แต่นั่นเป็นคำอธิบายแบบคร่าว ๆ สำหรับเด็ก ๆ ในความเป็นจริง สิ่งมีชีวิตรับ โฟตอนที่มีเอนโทรปีต่ำ จากดวงอาทิตย์มาใช้ทำงาน แล้วปล่อยความร้อนทิ้งในรูปอินฟราเรดที่มีเอนโทรปีสูงออกไป พลังงานถูกอนุรักษ์ไว้ ส่วนเอนโทรปีเพิ่มขึ้น
แล้วเดิมทีดวงอาทิตย์ได้โฟตอนเอนโทรปีต่ำมาจากไหน? ได้มาจากแรงโน้มถ่วง อวกาศที่ว่างเปล่าและสม่ำเสมอมีเอนโทรปีต่ำ และเมื่อดวงอาทิตย์ก่อตัวขึ้น มันก็ “สูบ” สิ่งนั้นขึ้นมา
ไม่รู้ว่าทำไมถึงถูกกด downvote แต่นี่เป็นคำอธิบายที่ Roger Penrose ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เสนอไว้: https://g.co/gemini/share/bd9a55da02b6
“เหตุผลที่พลังงานจากดวงอาทิตย์ที่มาถึงโลกมีเอนโทรปีต่ำ คือพลังงานทั้งหมดนั้นมาจากบริเวณบนท้องฟ้าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุม 0.5 องศา”
อีกคำตอบหนึ่งบอกว่า “เหตุผลที่แสงอาทิตย์มีเอนโทรปีต่ำ คือดวงอาทิตย์ร้อนมาก เอนโทรปีโดยพื้นฐานแล้วเป็นมาตรวัดว่าพลังงานกระจายตัวอยู่มากแค่ไหน ถ้าเปรียบเทียบสองระบบที่มีพลังงานความร้อนเท่ากัน ฝั่งที่พลังงานกระจุกตัวมากกว่า หรือก็คือฝั่งที่มีเอนโทรปีต่ำกว่า จะร้อนกว่า”
https://physics.stackexchange.com/questions/796434/why-does-...
บางทีทั้งสองอย่างน่าจะถูกในระดับหนึ่ง เพียงแต่ผมยังไม่ค่อยเข้าใจสมมติฐานที่ว่าดวงอาทิตย์สูบอวกาศที่ว่างเปล่าและมีเอนโทรปีต่ำขึ้นมา ดวงอาทิตย์ไม่ได้ก่อตัวจากฝุ่นและก๊าซที่เกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์รุ่นก่อน ๆ หรอกหรือ? ถ้าอย่างนั้นก็ดูเหมือนแทบจะตรงข้ามกับเอนโทรปีต่ำเลย
สิ่งที่เราเห็นเป็นโครงสร้าง “เอนโทรปีต่ำ” อย่างดาวฤกษ์ แท้จริงแล้วในสเกลที่ใหญ่กว่าอาจเป็นโครงสร้างสม่ำเสมอที่มีเอนโทรปีสูง เพียงแต่เพราะเรามองใกล้ ๆ จึงเห็นโครงสร้างที่ละเอียดกว่า
โฟตอนจากดวงอาทิตย์ร้อน และพื้นที่รอบดวงอาทิตย์เย็น ดังนั้นระบบนั้นจึงมีเอนโทรปีต่ำ
ถ้าพื้นที่รอบดวงอาทิตย์ร้อนเท่ากับโฟตอน เอนโทรปีก็คงสูง
แนวคิดที่ว่าแรงโน้มถ่วงอาจเป็นผลเชิงอุบัติการณ์ของ วิธีที่ข้อมูลทำงาน ในจักรวาลนั้นน่าสนใจ แต่ยังรู้สึกว่ายังไม่มีหลักฐานชัดเจนว่าโมเดลนี้ทำนายอะไรที่ต่างจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ณ ตอนนี้จึงเป็นหนึ่งในทฤษฎีที่สนุกต่อการสำรวจ แต่ยากจะยอมรับอย่างเต็มที่
นิยามเชิงกลศาสตร์สถิติ ของเอนโทรปีขึ้นอยู่กับจำนวนการจัดเรียงอนุภาคที่เป็นไปได้ในระบบหนึ่ง ๆ ในระบบปิด เอนโทรปีจะเข้าใกล้สมดุล และสิ่งนี้ถูกบรรยายอย่างหวือหวาว่าเป็น “การตายเชิงความร้อนของจักรวาล”
แต่เรารู้ว่าจักรวาลของเรากำลังขยายตัว ดังนั้นจำนวนการจัดเรียงที่เป็นไปได้ก็เพิ่มขึ้นด้วย และด้วยเหตุนี้เอนโทรปีอาจไม่มีวันไปถึงสมดุลเลยก็ได้ หากจักรวาลขยายตัวเร็วกว่าความเร็วที่องค์ประกอบของมันกระจายตัวใหม่ เอนโทรปีก็อาจลดลงได้ด้วย
เมื่อพิจารณาประเด็นนี้ ทฤษฎีที่รวมเอนโทรปีเป็นองค์ประกอบของแรงโน้มถ่วงย่อมชี้ไปสู่ข้อสรุปว่า แรงโน้มถ่วงเปลี่ยนแปลงไป ตามเวลา
เอฟเฟกต์นี้ทำให้นึกถึง อันตรกิริยาแบบไม่ชอบน้ำ ที่ใช้เมื่อสร้างแบบจำลองระบบชีวภาพ เช่น แนวโน้มที่หมู่ตกค้างแบบไม่ชอบน้ำจะอยู่ภายในโปรตีน
บทความนี้ที่ผมเคยอ่านเมื่อหลายปีก่อนดีมากจริง ๆ ดูเหมือนโดเมนจะไม่ได้ใช้งานแล้ว แต่เนื้อหาเป็นบทนำที่ดี และลิงก์ภายนอกส่วนใหญ่ก็ยังใช้ได้อยู่
https://web.archive.org/web/20211215122133/https://an0maly.c...