Bart Buelens, 22 november Emergente Gravitatie volgens Erik Verlinde

Transcriptie

1 Bart Buelens, 22 november 2018 Emergente Gravitatie volgens Erik Verlinde

2 By Stefania.deluca - Own work, Public Domain, Oort, Zwicky e.a. jaren 1930

3 Waarneming in conflict met theorie Waarneming fout Oplossing: Donkere materie WIMP

4 Waarneming in conflict met theorie Waarneming fout of Theorie fout Oplossing: Donkere materie WIMP Oplossing: Alternatieve theorie 1. MOND 2. Emergent gravity

5 1. Emergente fenomenen en entropie

6

7 Emergente fenomenen in de fysica druk P temperatuur T gas P V = N R T hoeveelheid N, volume V, gasconstante R

8 Macroniveau versus microniveau gas als een verzameling moleculen

9 Ludwig Boltzmann By Own work by Daderot - transferred from the English language Wikipedia, CC BY-SA 3.0,

10 Entropie van een gesloten systeem S = k log W S : entropie k : Boltzmann constante W : aantal micro-toestanden dat aanleiding kan geven tot de gegeven macro-toestand

11 T, P, V, S gelijk voor elke configuratie entropie S slaat de brug tussen macro en micro

12 Terzijde -- Thermodynamica studie van deeltjes op macro niveau in termen van temperatuur, energie en entropie Hoofdwetten Nulde : thermisch evenwicht Eerste: behoud van energie Tweede : entropie neemt altijd toe Derde : entropie constant bij absoluut nulpunt

13 2. Entropie als informatie

14 onbekend / vrij bekend / vast A S(A) B S(B) S(A) > S(B) S(A) S(B) =?

15 onbekend / vrij bekend / vast A S(A) B S(B) S(A) > S(B) S(A) S(B) = Informatie

16 onbekend / vrij bekend / vast A S(A) C S(C) = 0 S(A) S(C) = S(A) = I(A)

17 onbekend / vrij bekend / vast A S(A) C S(C) = 0 S(A) S(C) = S(A) = I(A)

18 Entropie is informatie entropie = de informatie die nodig is om het systeem op microscopisch niveau te beschrijven Shannon entropie (1940s) => Informatietheorie

19 entropie = informatie = log 2 (2 N ) = N bits De eenheid van informatie is de bit een bit is 0 of 1 abstractie van thermodynamische interpretatie

20 3. Quantummechanica

21 Onzekerheidsprincipe van Heisenberg

22 Standaardmodel der elementaire deeltjes Quantum entropie beschrijft wanorde ~ aantal mogelijke toestanden Kan gezien worden als quantum informatie Wordt uitgedrukt in eenheden van qubits Quantum bit, of qubit : 0 q 1

23 Verstrengeling

24 Verstrengelingsentropie Twee systemen die 100% verstrengeld zijn: entropie gelijk aan dat van één van de twee Mate van verstrengeling ~ (entropie) -1

25 4. Gravitatie

26 Zwarte gaten en thermodynamica Bekenstein en Hawking, 1970s Wheeler, 1970s 1980s Wat is de entropie van een zwart gat?

27 Zwarte gaten en thermodynamica massa toevoegen => entropie neemt toe Hawking straling verstrengelde qubits, quantumentropie => informatie neemt toe

28 Zwarte gaten en thermodynamica Entropie ~ oppervlak van waarnemingshorizon ~ massa ~ gravitatie ~ informatie Informatie is bouwsteen

29 Gravitatie is thermodynamisch Jacobson 1995 Afleiding vergelijkingen algemene relativiteit in termen van entropie (in nabijheid van zwart gat) verband gravitatie entropie

30 Snaartheorie Quantummechanische beschrijving van gravitatie, vanaf 1970s Jaren 1990: snaartheorie beschrijft microscopische toestand van zwarte gaten ZONDER gravitatie nodig te hebben. Gravitatie is een macroscopische fenomeen, emergent.

31 Holografisch principe (G. t Hooft e.a. 1990s) alle informatie in heelal te beschrijven op een denkbeeldige schil (2D) er om heen voor een Anti-de-Sitter ruimte (negatief gekromde ruimtetijd, negatieve kosmologische constante, geen donkere energie) niet ons heelal

32 Basis voor theorie Eric Verlinde (UvA) Thermodynamische beschrijving algemene relativiteit en gravitatie Emergente gravitatie volgens snaartheorie Holografisch principe over hoeveelheid informatie in heelal

33 Eric Verlinde s theorie (vanaf 2009) 1. Gravitatie is een emergente kracht, veroorzaakt door entropie 2. Deze entropie is een maat voor de hoeveelheid quantuminformatie 3. Quantuminformatie is overal in het heelal en is groter in nabijheid van massa

34 Nog volgens Verlinde Voor de-sitter-ruimte: donkere energie is toename van entropie proportioneel aan volume van heelal (verschil met holografisch principe) Volumebijdrage

35 Verlinde s emergente gravitatie I. Alternatief voor donkere materie (verklaart rotatiecurves sterrenstelsels) II. Verzoent gravitatie met quantumtheorie III. Betrekt donkere energie in de theorie

36 5. Verlinde in de praktijk

37 Belangrijkste waarneembare effecten Op grote afstanden begint gravitatie lineair af te nemen in plaats van kwadratisch. Dit effect was kleiner in het vroege heelal, want de volumebijdrage was kleiner

38 Rotatiecurven van sterrenstelsels Verlinde: Rotatiesnelheden beginnen af te wijken bij gravitatie <= c H 0. Dit had Milgrom al empirisch vastgesteld in 1983! en is de basis voor MOND

39 Gravitatie lenzen artikel + rotatiecurves + standaardmodel + dark energy

40 - abs Kan Verlinde dit verklaren? Lijkt mogelijk

41

42 Nog een donkere materie vraag Waarom komt DM alleen voor in de buurt van gewone materie? Verlinde: het is in de buurt van gewone materie dat de quantuminformatie gravitatie veroorzaakt en elders natuurlijk niet

43 6. Ja maar

44 Patroon acoustische oscillaties in CMB - zou verklaard worden door donkere materie - (nog) niet door emergente gravitatie

45 Bullet cluster: botsende clusters - zou verklaard worden door donkere materie - (nog) niet door emergente gravitatie

46 Veranderingen in perihelia van planeten 7 ordegroottes fout met theorie van Verlinde

47 Reactie van Verlinde Theorie is tot nu toe alleen ontwikkeld voor systemen die bolvormig, geïsoleerd en statisch zijn Huidige stand van theorie kan niet werken in deze probleemgevallen

48 7. Conclusie

49 Wordt vervolgd Verlinde s theorie: verder te ontwikkelen Houdt theorie stand? Falsificatie? Ontdekking van WIMPs of andere DM particles?

50