Titokzatos gravitáció
Erik Verlinde elméleti fizikus, az Amszterdami Egyetem munkatársa, a húrelmélet nemzetközileg elismert tudósa meglepő tézist fejtett ki a múlt év végén a Dutch Spinoza-Instituut ülésén. Előadásában, majd az idén év elején megjelent publikációjában kifejtette, hogy a gravitációt voltaképpen magyarázni lehetne az infomációelmélet és termodinamika fogalmaival.
Azt már Newton óta tudjuk, hogy két test a tömegükkel arányos módon vonzza egymást és a köztük lévő erő a távolság négyzetével csökken. Einstein az általános relativitáselméletben azt fejtette ki, hogy azért esik le egy tárgy a földre, mert bolygónk tömege meggörbíti a környező téridőt. Ezek az elméletek azonban csak a gravitáció hatásait írják le, de nem adnak magyarázatot a mibenlétére. Verlinde viszont éppen magát a gravitációt próbálja leírni, amely szerinte két tömeg és a környezete közötti információ különbségéből származik. Hipotézise szerint a gravitáció egy entrópikus erő. Ha egy nagyobb tömegtől bizonyos távolságra lévő kisebb tömegű test elmozdul, akkor megváltozik a két tömeg közötti holografikus felület entrópiája, vagyis, információtartalma. Ez az információváltozás összeköthető a rendszer energiájának változásával.
A hipotézis arról, hogy a gravitáció egy entrópikus erő, nem új, a hetvenes évek közepéig nyúlik vissza, ekkor fogalmazta meg Stephen Hawking és Jacob Beckenstein a fekete lyukak termodinamikájával kapcsolatban. A kilencvenes években pedig a Nobel-díjas Gerard ’t Hooft és Leonard Susskind fejlesztette tovább, az úgynevezett holografikus elv bevezetésével. Ezen elméleti munkák nyomán írta le Verlinde a maga hipotézisét a gravitáció mibenlétéről. Mint mondja: „meggyőződésem, hogy a gravitáció a tér és idő alapvető tulajdonságaiból származó jelenség”. Szerinte a gravitáció nem a testek belső sajátossága, hanem olyan jelenség, mint például a víz folyékonysága. Az egyes molekulák önmagukban nem „folyékonyak”, hanem csak kollektíven alakul ki ez a tulajdonságuk. Tehát, állítja Verlinde, a gravitáció olyan fizikai hatás, amely a tömeg, a tér és az idő együttes összjátékából alakul ki.
Nem könnyű – sőt, nagyon is nehezen emészthető – fogalmak ezek. De valljuk be, a húrelmélet legalább ennyire nehezen felfogható a „hétköznapi” ember számára. Mindenesetre úgy tűnik, hogy a fizikusok jelentős része egyetértéssel fogadta az új megközelítést. A nagy tekintélyű ’t Hooft például kész elfogadni Verlinde közelítését, bár hozzáteszi, hogy még jelentősen fejleszteni, finomítani kell. Az elképzelés pozitívumának tartja, hogy: „a legtöbb húrelmélettel foglalkozó fizikussal ellentétben Erik Verlinde valós fizikai fogalmakkal – mint amilyen a tömeg és az erő – operál, és nem absztrakt matematikával”.
Persze elméletek eddig is voltak a gravitáció mibenlétének magyarázatára. Vannak, akik különleges, gravitonnak nevezett hipotetikus részecskékkel próbálják magyarázni, szerintük ezek hordozzák a gravitációt. A javaslat gyengéje, hogy egyelőre semmilyen bizonyíték nincs e részecskék létezésére, és némileg emlékeztet az egész a rég megbukott éterelméletre.
Kétségtelenül tetszetős Verlinde elmélete a maga egyszerűségében és fizikai közelítésében, akkor is, ha igen sok részletet még tisztázni kell. Akadnak, akik éppen a matematikai egyszerűségét kárhoztatják, mondván, hogy ez kevés, mert közben rendkívül bonyolult fogalmakkal operál, mások pedig egyenesen azt vetik a szemére, hogy az egész elmélet körben jár.
Mindenesetre reményt keltő az elmélet, és bízzunk benne, hogy ami nem sikerült Newtonnak, Einsteinnek – a gravitáció mibenlétének magyarázata – az talán a XXI. században már sikerülhet, esetleg éppen az Erik Verlinde által javasolt elképzeléssel.
Entrópiától a fekete lyukig
Az entrópia a termodinamika egyik alapvető fogalma, amelyet a XIX. század második felében (1865-ben) vezetett be a német Rudolph Clausius. Az entrópia az anyagi rendszerek rendezetlenségét jellemzi. A termodinamika szerint a természetben egyre valószínűbb állapotok következnek be (például a magára hagyott, kívülről nem melegített testről a hő a hidegebb test felé áramlik), vagyis a természetben a spontán, beavatkozás nélküli folyamatok visszafordíthatatlanok. Bármely fajta energia hővé alakítható, míg a hő csak részben alakítható át másfajta energiává. Az entrópia és a növekvő rendezetlenség vezet el a világ „hőhalálához”. Az entrópia az információelméletnek is alapfogalma, itt a rendszerek rendezettségének mértékeként használják, ezért negatív előjellel szerepel (negentrópiának is hívják).
A holografikus elv a kvantum gravitációnak és a húrelméletnek egy sajátos tulajdonsága, amelyet a fekete lyukak termodinamikájának leírásához vezetett be az Utrechti Egyetem tudósa, az 1999-ben Nobel-díjjal kitüntetett Gerard ’t Hooft, majd pontosabb leírását adta Leonard Susskind, a jeruzsálemi Héber Egyetem munkatársa. Az elmélet szerint a teljes világegyetemet a kozmikus horizontra „ráfestett” kétdimenziós információs struktúraként foghatjuk föl, és az általunk észlelt háromdimenziók csak makroszkopikus méretekben és kis energiákon adnak tényleges megjelenítést.
