引力是“熵力”吗 李淼 中国科学院理论物理研究所 2010.01.12 2019年4月8日星期一
本报告介绍Erik Verlinde最近的工作: On the Origin of Gravity and the Laws of Newton arXiv:1001.0785v1[hep-th] 2019年4月8日星期一
很久以来,一直有人怀疑万有引力不是基 本的,是一种宏观现象。 例如,Ted Jacobson在 用类似黑洞热力学的办法推导了爱因斯坦 方程 Thermodynamics of Spacetime: The Einstein Equation of State arXiv:gr-qc/9504004v2 用类似黑洞热力学的办法推导了爱因斯坦 方程 2019年4月8日星期一
Verlinde在他的工作中指出,不仅引力本 身,惯性和质量其实也是一种宏观现象。 用文字来表达他的结果,就是: 1、引力是熵力。 2、加速度与熵的梯度有关,所以惯性是 无熵梯度的表现,质量与bits数成正比。 3、牛顿势是熵与bits数的比例。 2019年4月8日星期一
什么是熵力? 例子:虎克定律中的弹性力就是熵力。 2019年4月8日星期一
在微正则系综中 有 或热力学第一定律 2019年4月8日星期一
引力 Verlinde假设 m 2019年4月8日星期一
所以,根据第一定律: 利用Unruh公式 得牛顿第二定律 2019年4月8日星期一
问题:Unruh公式是量子场论推出的,不用 如何? 答案:不用Unruh公式,但假设全息原理, 可得牛顿万有引力公式。 在球面上,假设bits数(自由度数): 2019年4月8日星期一
由 推得 代入 得 2019年4月8日星期一
总结: 1、基本假设 加Unruh公式 推出牛顿第二定律 2、基本假设 加全息假设 推出牛顿万有引力 2019年4月8日星期一
问题:在熵变的基本公式中,Planck常数 出现,在Unruh公式和全息假设中,Planck 常数也出现,但牛顿第二定律和万有引力 数,结论不变,所以量子力学不是必须 的,虽然量子力学是隐含的。 2019年4月8日星期一
考虑将一个质量为m的粒子“融入”全息屏。 根据能量均分原则,有 惯性和牛顿势 考虑将一个质量为m的粒子“融入”全息屏。 根据能量均分原则,有 其中n是描述m需要的bits数。由于m是固定 的,T越低,需要的n越大。 2019年4月8日星期一
的确,在远离大质量物质M的地方,T较 低: 利用基本假设 和Unruh公 式,可得 2019年4月8日星期一
的右边是描述该粒子的每个bit所带的熵, 我们可以直观地想成每个bit的受激程度。 方程右边已与Planck常数无关。 这个公式 的右边是描述该粒子的每个bit所带的熵, 我们可以直观地想成每个bit的受激程度。 方程右边已与Planck常数无关。 2019年4月8日星期一
这个结果很重要,说明每个bit的熵与牛顿 势成正比。 引入牛顿势 得 这个结果很重要,说明每个bit的熵与牛顿 势成正比。 2019年4月8日星期一
对值)越大的地方,bit的效率越高。对于 固定的系统,熵是固定的,所以牛顿势大 的地方,bits数少,被粗粒化得更多 (IR)。 将变分符号去掉 我们可以这样解释上面公式:牛顿势(绝 对值)越大的地方,bit的效率越高。对于 固定的系统,熵是固定的,所以牛顿势大 的地方,bits数少,被粗粒化得更多 (IR)。 很类似AdS/CFT中的UV/IR关系。 2019年4月8日星期一
在无限远处,这个量最小,bits的效率最 低,这是UV极限。 有趣的是,量 的取值范围是0到1。 在黑洞视界上,这个量最大,所以粗粒化 最厉害,或者说bits的效率最高。 在无限远处,这个量最小,bits的效率最 低,这是UV极限。 2019年4月8日星期一
分布了。我们无非要导出Poisson方程。 考虑等势面,并将等势面看成全息屏 一般的质量分布 引入牛顿势,自然就可以考虑一般的质量 分布了。我们无非要导出Poisson方程。 考虑等势面,并将等势面看成全息屏 2019年4月8日星期一
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现在,取代Unruh公式,我们假设: 以及全息假设: 2019年4月8日星期一
能量均分原则是 得 2019年4月8日星期一
用Stokes定理,我们推出: 注意,和前面导出牛顿公式不同,我们没 有用到熵变的基本假定,那里用熵变是为 了推出作用在试验粒子上的力,而不是 Poisson方程。 2019年4月8日星期一
最后,稍微复杂地是推导作用在试验粒子 上的力,这和前面推出牛顿万有引力公式 类似。 这里不复述。 2019年4月8日星期一
始。在这个情况下,存在time-like Killing vector 等效原理和Einstein方程 前面是非相对论引力的讨论,虽然出现了 光速甚至Planck常数。 要推广到一般情形,先从静态引力场开 始。在这个情况下,存在time-like Killing vector 2019年4月8日星期一
定义推广的牛顿势 加速度的推广是 2019年4月8日星期一
考虑等势面,此时加速度与等势面垂直。 定义温度 熵变假设为 2019年4月8日星期一
从热力学第一定律得熵力公式 这确实是静态引力场中的正确公式。 2019年4月8日星期一
要获得Einstein方程,和推导Poisson方程 一样,我们需要全息原理 和能量均分 2019年4月8日星期一
由于牛顿势与Killing vector有关,故 所以 由于牛顿势与Killing vector有关,故 2019年4月8日星期一
用Stokes定理和 得 2019年4月8日星期一
即使取任意曲面,我们只能得到和Killing vector 有关的方程。 要去掉Killing vector,我们可以利用局域的 局域惯性系),这样我们就获得Einstein方 程。 2019年4月8日星期一
讨论 由此看来,引力确实是熵力,即非基本 的。 我想第一个问题是,引力要量子化吗? 我觉得可以量子化,如同声子要量子化一 样。 2019年4月8日星期一
从AdS/CFT来看,引力一边是闭弦理论, 如果引力是emergent的,那么闭弦也应该 是。 (我过去曾认为闭弦可以从非对易几何得 到,也许两者有关联) 2019年4月8日星期一
QCD,一些凝聚态物理系统对应于引力, 引力也应该是作为熵力出现的。 也许并不存在更加细致的全息原理,否则 我们无法解释为什么很多凝聚态系统也诱 导引力。 2019年4月8日星期一
最后,我们问,空间并不完全是emergent 的,我们还需要等势面,在这些面上有一 些bits。 2019年4月8日星期一
另外,引力既然是熵力,为什么Eintein方 程,特别是Friedmann方程,是时间反演不 变的? 如何理解Penrose问题(宇宙初始时刻熵最 小) 如何理解暗能量,即斥力?(这里肯定涉 及引力量子化) 2019年4月8日星期一
Thanks! 2019年4月8日星期一