- 27,858
- 46
- 8 Ноя 2022
Гравитация — это не геометрия пространства. Это термодинамика.
Гравитацию обычно объясняют через общую теорию относительности: масса искривляет пространство-время, а тела движутся по этим изгибам. На уровне планет, звёзд и чёрных дыр эта картина работает очень точно. На масштабе всей Вселенной остаются трудные вопросы, и один из самых упорных связан с энергией пустого пространства: наблюдения дают одно значение, а квантовые расчёты предсказывают величины несравнимо больше.
В новой работе гравитацию попробовали описать не через геометрию пространства-времени, а через термодинамику. Эта область физики разбирает, как тепло, энергия и работа переходят друг в друга. На первый взгляд подход кажется странным, но у идеи есть давняя основа: ещё в 1995 году физик-теоретик Тед Джейкобсон показал, что уравнения Эйнштейна можно вывести из тепловой физики, если связать притяжение с температурой и энтропией.
Джейкобсон перевернул привычный порядок рассуждений. До него Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн пришли к связи гравитации с температурой и энтропией через физику чёрных дыр . Джейкобсон начал с тепловых принципов и получил из них гравитацию Эйнштейна. Новая работа развивает этот ход, но не подгоняет заранее результат под уже известные теории.
Авторы исследования исходили из мысли, что тепловой поток может описывать не весь процесс. В обычных тепловых машинах энергия не просто рассеивается в виде тепла: газ расширяется, давит на поршень, выполняет работу, а в некоторых системах ещё идут химические реакции. Поэтому в расчёт добавили вторую часть термодинамической картины - работу, которую система способна совершать.
Для описания процесса использовали цикл Отто. Этот термодинамический цикл лежит в основе бензиновых двигателей: газ сжимается, нагревается, расширяется и отдаёт часть энергии как механическую работу. В космологии никто не предлагает искать внутри Вселенной буквальный двигатель. Цикл Отто нужен как математическая схема, где отдельно видны участки теплового обмена и участки, связанные с работой системы.
В варианте, который соответствует гравитации Эйнштейна, остаются только участки с тепловым потоком. Новая схема добавляет к ним участки работы и даёт более широкий класс гравитационных теорий. Самое неожиданное следствие касается сохранения материи и энергии: в получившемся описании привычный закон может меняться, а материя-энергия в космологической модели способна появляться или исчезать.
Для физики такой вывод звучит радикально, потому что закон сохранения относится к базовым принципам. Авторы почти отказались от идеи именно из-за этого результата. Но проверка на масштабе всей Вселенной дала любопытный эффект: изменённый закон сохранения воспроизвёл ускоренное расширение космоса без тёмной энергии и без космологической постоянной.
Ускоренное расширение Вселенной остаётся одной из главных проблем современной космологии. Обычная материя должна притягивать окружающее вещество и замедлять разлёт галактик, а наблюдения показывают ускорение. В стандартной модели для объяснения вводят тёмную энергию или космологическую постоянную. В новой схеме ускорение может возникать из-за обычной материи, если её сохранение меняется и допускает непрерывное появление вещества на космических масштабах.
Такой подход не отменяет уравнения Эйнштейна и не доказывает новую физику одним расчётом. Работа предлагает другой маршрут: начать с термодинамического цикла, разрешить системе обмениваться теплом и выполнять работу, а затем вывести уравнения из этой конструкции. При таком построении теория Эйнштейна превращается в частный случай, где дополнительные участки цикла исчезают.
Главная интрига связана с космологической постоянной. В общей теории относительности эта величина может описывать энергию вакуума и ускоренное расширение Вселенной. Проблема в огромном расхождении: наблюдаемая энергия пустого пространства намного меньше значений, которые дают квантовые оценки. Если ускорение удаётся получить без космологической постоянной, часть старого противоречия можно обойти. Пока это математическая возможность, а не подтверждённое описание устройства космоса.
Авторы называют модель ранней и пока спекулятивной. Следующий этап потребует сравнить её предсказания с наблюдениями: темпом расширения Вселенной, распределением галактик, реликтовым излучением и другими измерениями. Современная космология опирается на точные данные, поэтому красивая идея должна пройти проверку наблюдениями. Без такой проверки новая схема останется интересной попыткой переописать гравитацию через тепло и работу.
Гравитацию обычно объясняют через общую теорию относительности: масса искривляет пространство-время, а тела движутся по этим изгибам. На уровне планет, звёзд и чёрных дыр эта картина работает очень точно. На масштабе всей Вселенной остаются трудные вопросы, и один из самых упорных связан с энергией пустого пространства: наблюдения дают одно значение, а квантовые расчёты предсказывают величины несравнимо больше.
В новой работе гравитацию попробовали описать не через геометрию пространства-времени, а через термодинамику. Эта область физики разбирает, как тепло, энергия и работа переходят друг в друга. На первый взгляд подход кажется странным, но у идеи есть давняя основа: ещё в 1995 году физик-теоретик Тед Джейкобсон показал, что уравнения Эйнштейна можно вывести из тепловой физики, если связать притяжение с температурой и энтропией.
Джейкобсон перевернул привычный порядок рассуждений. До него Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн пришли к связи гравитации с температурой и энтропией через физику чёрных дыр . Джейкобсон начал с тепловых принципов и получил из них гравитацию Эйнштейна. Новая работа развивает этот ход, но не подгоняет заранее результат под уже известные теории.
Авторы исследования исходили из мысли, что тепловой поток может описывать не весь процесс. В обычных тепловых машинах энергия не просто рассеивается в виде тепла: газ расширяется, давит на поршень, выполняет работу, а в некоторых системах ещё идут химические реакции. Поэтому в расчёт добавили вторую часть термодинамической картины - работу, которую система способна совершать.
Для описания процесса использовали цикл Отто. Этот термодинамический цикл лежит в основе бензиновых двигателей: газ сжимается, нагревается, расширяется и отдаёт часть энергии как механическую работу. В космологии никто не предлагает искать внутри Вселенной буквальный двигатель. Цикл Отто нужен как математическая схема, где отдельно видны участки теплового обмена и участки, связанные с работой системы.
В варианте, который соответствует гравитации Эйнштейна, остаются только участки с тепловым потоком. Новая схема добавляет к ним участки работы и даёт более широкий класс гравитационных теорий. Самое неожиданное следствие касается сохранения материи и энергии: в получившемся описании привычный закон может меняться, а материя-энергия в космологической модели способна появляться или исчезать.
Для физики такой вывод звучит радикально, потому что закон сохранения относится к базовым принципам. Авторы почти отказались от идеи именно из-за этого результата. Но проверка на масштабе всей Вселенной дала любопытный эффект: изменённый закон сохранения воспроизвёл ускоренное расширение космоса без тёмной энергии и без космологической постоянной.
Ускоренное расширение Вселенной остаётся одной из главных проблем современной космологии. Обычная материя должна притягивать окружающее вещество и замедлять разлёт галактик, а наблюдения показывают ускорение. В стандартной модели для объяснения вводят тёмную энергию или космологическую постоянную. В новой схеме ускорение может возникать из-за обычной материи, если её сохранение меняется и допускает непрерывное появление вещества на космических масштабах.
Такой подход не отменяет уравнения Эйнштейна и не доказывает новую физику одним расчётом. Работа предлагает другой маршрут: начать с термодинамического цикла, разрешить системе обмениваться теплом и выполнять работу, а затем вывести уравнения из этой конструкции. При таком построении теория Эйнштейна превращается в частный случай, где дополнительные участки цикла исчезают.
Главная интрига связана с космологической постоянной. В общей теории относительности эта величина может описывать энергию вакуума и ускоренное расширение Вселенной. Проблема в огромном расхождении: наблюдаемая энергия пустого пространства намного меньше значений, которые дают квантовые оценки. Если ускорение удаётся получить без космологической постоянной, часть старого противоречия можно обойти. Пока это математическая возможность, а не подтверждённое описание устройства космоса.
Авторы называют модель ранней и пока спекулятивной. Следующий этап потребует сравнить её предсказания с наблюдениями: темпом расширения Вселенной, распределением галактик, реликтовым излучением и другими измерениями. Современная космология опирается на точные данные, поэтому красивая идея должна пройти проверку наблюдениями. Без такой проверки новая схема останется интересной попыткой переописать гравитацию через тепло и работу.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
