La gravedad como una manifestación macroscópica de la termodinámica del vacío en teoría cuántica de campos

Dibujo20090902_general_gravitational_lagrangian_results_in_thermodynamicsLa segunda ley de la termodinámica y la gravedad de Einstein están intimamente relacionadas. Las ideas de Bekenstein y Hawking que asocian entropía y temperatura a los agujeros negros han llevado a algunos autores a pensar que la gravedad tiene un origen termodinámico. Ted Jacobson ya lo propuso en 1995: las ecuaciones de Einstein son ecuaciones de estado para el vacío cuántico. Los españoles Elizalde y Silva demostraron en 2008 que lo mismo ocurre para cualquier teoría de la gravedad que dependa del escalar de Ricci. Ahora Ram Brustein y Merav Hadad demuestran que también es cierto para cualquier teoría de la gravedad que dependa de la métrica. Más general, casi, imposible. Ideas que nos llevan a una nueva vía para entender la gravedad. El artículo original de Ted Jacobson, “Thermodynamics of Spacetime: The Einstein Equation of State,” Phys. Rev. Lett. 75: 1260-1263, 1995. Emilio Elizalde, Pedro J. Silva, “f(R) gravity equation of state,” Phys. Rev. D 78: 061501, 2008. El nuevo Ram Brustein, Merav Hadad, “Einstein Equations for Generalized Theories of Gravity and the Thermodynamic Relation dQ = T dS are Equivalent,” Phys. Rev. Lett. 103: 101301, 2009.

Cualquier horizonte de sucesos acelerado tiene una relación entre su entropía y su área similar a la de un agujero negro. Esta relación es muy general como se puede demostrar utilizando la carga de entropía de Noether. ¿Qué pasa con otras teorías de la gravedad? Sorprendentemente, esta relación es muy general e independiente de la teoría utilizada. ¿Por qué? No se sabe, pero Brustein y Hadad sugieren que es debido a que la gravedad es un fenómeno de origen termodinámico. ¿Termodinámica de qué? Ellos creen que es la termodinámica del vacío (estado de mínima energía) en teorías cuánticas de campos (en las que se asume la relatividad especial, pero no la general). Brustein y Hadad han sido capaces de identificar las cantidades termodinámicas más importantes (como temperatura y entropía) a partir de un lagrangiano para una teoría de la gravedad completamente general: basta que dependa del tensor métrico fundamental. Más aún, en dicha teoría si el tensor de energía-momento es semidefinido positivo, necesariamente se cumple la segunda ley de la termodinámica.

¿Por qué están íntimamente ligadas la termodinámica y la gravedad? Es difícil ofrecer una respuesta en la actualidad. Los autores especulan que la entropía de los agujeros negros es el resultado del entrelazamiento (entanglement) cuántico de grados de libertad ocultos (que tendrá que describir una teoría cuántica de la gravedad).


13 Comentarios

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El CidEl Cid

Aplicando la mecánica estadística a las teorías de campo gauge, que describen el modelo estándar, no han resuelto el problema de la constante cosmológica. ¿Me equivoco? Por tanto, la Relatividad General (de Sitter) será algo más que aplicar la mecánica estadística al modelo estándar. Si no he entendido mal, ya que yo solo soy un aficionadillo, suponen que la gravedad de Einstein es el resultado de aplicar la mecánica estadística a una teoría cuántica de campos que describiría la gravedad cuántica a muy altas energías. La máxima simetría relevante para esta teoría fundamental ¿sería entonces la simetría de Lorentz? ¿Que ocurriría con la independencia de fondo? ¿No se puede relacionar la geometría con la física a un nivel fundamental? ¿No existe entonces una geometría cuántica?
Además esta teoría cuántica de campos no podría del tipo Yang Mills, ya que estas teorías con partículas elementales de Spin 2, no son renormalizables. Por tanto una teoría gauge no podría describir el gravitón. No obstante existen otros modelos que consideran que el gravitón es un agregado de algo más fundamental. Algunas consideran que la gravedad es un superfluido de neutrinos

emulenewsemulenews

Termodinámica, termodinámica estadística, mecánica estadística clásica y mecánica estadística cuántica son diferentes visiones de exactamente lo mismo, cada una conceptualmente más precisa que la anterior. Lo que Jacobson y sus seguidores están planteando es que la gravitación (clásica) en su estado actual es como la termodinámica (de hecho, derivó las ecuaciones de Einstein aplicando ideas termodinámicas al espaciotiempo vacío). La idea clave es que cuantizar las ecuaciones de Einstein es como tratar de cuantizar la ecuación de onda para una onda sonora (onda de presión en un fluido). No tiene ningún sentido hacerlo (la presión no es una magnitud física fundamental). En ningún momento, ni Jacobson ni los demás aluden a las teorías gauge, Yang-Mills o similar. La idea es asumir que al espaciotiempo se le pueden asociar propiedades termodinámicas que cumplen con las leyes de la termodinámica. Sorprendentemente, sólo con esta hipótesis se obtienen las ecuaciones de Einstein y sus variantes.

Lo dicho, una curiosidad que nos ofrece un camino fenomenológico alternativo a los que buscan una teoría cuántica de la gravedad.

El CidEl Cid

OK, entendido:

Lo que han demostrado es que la relatividad general se puede derivar usando la termodinámica clásica, solamente. Exista o no, un modelo microscópico a muy altas energías para la gravedad. Interesante pero que muy interesante.
De todas formas, no hay que olvidar que el objetivo de la termodinámica es establecer las restricciones sobre los procesos físicos macroscópicos que la materia puede experimentar. Estas restricciones son la manifestación de las las leyes que rigen a un nivel microscópico cuando los grados de libertad se disparan. Los eventos microscópicos que tiene relevancia en los procesos macróscopicos son aquellos que prácticamente son independientes del espacio y el tiempo a escala microscópica. Desgraciadamente la conexión entre las leyes fundamentales y los procesos macroscópicos que experimenta la materia no son, en absoluto, evidentes.
Por ello creo, que este resultado favorece la existencia de una causa microscópica, i.e., grados de libertad microscópicos caracterizados con una dinámica. La dinámica de estos grados de libertad microscópicos tiene como consecuencia unos pocos grados de libertad macroscópicos. Estos pocos grados de libertad a nivel macroscópico y sus relaciones son la gravedad, y su explicación exacta la proporciona la relatividad general.

Por cierto, el campo de presiones en un fluido no se puede cuantizar directamente, pero es el resultado macroscópico de la electrodinámica cuántica, :-).

Facu

Se lo que es un horizonte de suscesos, pero ¿que es uno horizonte de sucesos acelerado?

¿y un lagrangiano? (la wikipdia me confundio aun mas)

gracias y saludos!

MiGUi

Es una pena que el 99% de las personas no puedan sentir la fascinación que uno siente cuando uno lee estas cosas.

Es la misma sensación que cuando descubres que el electromagnetismo es deducible de la relatividad especial una vez defines el cuadripotencial A.

Al margen de que tenga sentido práctico el simple hecho de poder hacerlo basta para decir ¡wow!

emulenewsemulenews

MiGUi, gracias por el enlace. No lo había leído, aunque soy aficionado a visitar el blog de Lubos Motl (The Reference Frame). Lubos, teórico de cuerdas que ha publicado con Banks o Vafa, como siempre ofrece información útil junto a duras críticas. Lo bueno es que es una persona con las ideas muy claras: la teoría de cuerdas es la teoría correcta, le pese a quien le pese, y sus verdades son la verdad.

Does gravity have to be quantized? Jacobson wants to argue that gravity shouldn’t be quantized at all. It may be no more appropriate to canonically quantize Einstein’s equations than it would be to quantize the wave equation for sound in air.

Los argumentos de Lubos en contra de esta opinión de Jacobson parten de la ecuación de una onda sonora escrita en función de la densidad, que se puede cuantizar utilizando el formalismo de segunda cuantización (como los fonones en un sólido), es decir, contando grados de libertad.

Sin embargo, en mi opinión, Jacobson alude en su comentario a la ecuación de una onda sonora escrita en función de la presión. En este caso dicho formalismo no es aplicable. Que yo sepa nadie ha cuantizado el concepto de presión, porque no es cuantizable.

Lo más importante del trabajo de Jacobson, en mi opinión de inexperto, es que nos muestra que la analogía área-entropía es mucho más sutil de lo que puede parecer en una lectura superficial. Obviamente, para Lubos la analogía es válida en un contexto clásico, para trozos de espaciotiempo pequeños, pero no demasiado pequeños (donde la teoría de cuerdas será aplicable, según él). Literalmente “the analogy between general relativity and thermodynamics is more than just an analogy: in the gravitational context, the analogy is actually an identity that holds in every small (but not too small) corner of spacetime.

Lo dicho, MiGUi, gracias por el enlace.

hugo luchettihugo luchetti

Onda sonora del lenguaje:

¿Què pasa con la presiòn de la onda sonora del lenguaje en la corteza cerebral…? ¿Si se retiene por un campo magnètico…, no ejecutarìamos al liberarse la misma, acciones fìsicas que en verdad dependen de su vibraciòn…?¡Wow! Chau, gracias

Iñigo

¿La gravedad como manifestacion de la termodinamica del vacio?. Siendo la termodinamica del vacio una manifestacion de la incertidumbre en la energia que contiene, es mas sensato incluso en dicho planteamiento señalar que la gravedad es una manifestacion de la energia de vacio. Por otro lado la tierra no orbita sobre una buen monton de vacio, sino que lo hace en torno a masas.

Pero seamos positivistas, al proximo que postule que la gravedad proviene de una batalla celestial entre angeles y demonios darle credito hasta que se demuestre lo contrario, de todos modos ayudariais a mantener el estomago de un fisico matematico mas. Y bueno, pararos un momento a imaginar que no seran capaces de hacer en la nobel-cuisine cuando oigan de estos adelantos conceptuales y todo los dolares que va a reportar.

hugo luchettihugo luchetti

EL ANILLO DE LO VACIO-LLENO:

Serìa mejor integrar porque el àtomo
o materia està plenamente lleno de vacìo; de manera que lo vacìo y lo lleno podrìan tener un potencial semejante al de la onda y la partìcula. Chau, gracias

hugo luchettihugo luchetti

El ESPACIO ES COMO UN FLUIDO:

Un fluìdo con distintos grados de viscosidad, que va desde lo vacìo a lo lleno, como en anillo… Y todo lo que percibimos, tocamos, hablamos, son traducciones que dependen tal vez del nùmero de Reynolds o mediciòn de esa viscosidad… Las formas que navegan en ese fluìdo espacial son tanto geomètricas, a escala, como fractalizadas o “formas de sonidos” que usamos al hablar… Es decir, el pensamiento (hablar, leer, escribir) es Espacio “traducido”. Què tal!!! En esta TEORIA ESPACIAL DEL LENGUAJE, los lugares funcionan y resuenan como “cajas” y las palabras tambièn… Chau, gracias.

julian luquejulian luque

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GRAVITY AND SPACE
When a body accelerates in space, creates the effect of inertia in the direction opposite where you accelerate, call center of gravity.

If space that is accelerated, it creates the same effect.

Example, in the first second of the universe, the universal sphere would measure 300,000 kilometers of radio, in the 2nd second 600,000 in the 3rd second 900 000 km radius, with the mass the same, in an area that increases in volume to the cube in negative density . It is therefore an acceleration into space. vacuum is not constant, and is accelerated by the universal sphere radius at any time. The vacuum is accelerated outward, and the effect goes in from each club.

Principle of cause, effect.

Do not want to elaborate more. If you’re interested I can explain much more Thanks for your attention Julián Luque c / schools 24 Montilla (Córdoba) Spain

movile 63801732 phone 957 651734 EL ESPACIO Y LA GRAVEDAD
Cuando un cuerpo se acelera en el espacio, crea el efecto de inercia en sentido opuesto en la dirección donde se acelera, le llamo punto de gravedad.

Si es el espacio el que se acelera, creará el mismo efecto.

Ejemplo, en el primer segundo del universo, la esfera universal mediría 300.000 kilómetros de radio,en el 2º segundo 600.000 en el 3º segundo 900.000 kilómetros de radio, siendo la masa la misma, en una esfera que aumenta su volumen al cubo en densidad negativa. Por lo tanto es una aceleración hacia el vacío. el vacío no es constante, y es acelerado por el radio de la esfera universal en cada momento. EL vacío acelerado va hacia fuera, y el efecto va hacia dentro de cada maza.

Principio de causa, efecto.

No quiero extenderme mas. Si es de su interés puedo explicarle mucho mas Gracias por su atención Julián Luque c/ escuelas 24 montilla (Córdoba) España

teléfono 957 651734 móvil 63801732

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