- Gần đây, các nhà vật lý lý thuyết đã đưa ra một mô hình xem lực hấp dẫn là kết quả của những tương tác ngẫu nhiên ở cấp vi mô giữa các hạt, tức là hệ quả của sự gia tăng entropy
- Mô hình này tập trung vào mối quan hệ giữa entropy và lực hấp dẫn, đồng thời khám phá một cách tiếp cận thay thế đối với các lý thuyết hấp dẫn hiện có
- Mô hình hấp dẫn entropy đưa ra các dự đoán thực nghiệm có thể kiểm chứng, và gợi ý rằng lực hấp dẫn thực ra không phải là một lực cơ bản mà là hiện tượng tập thể
- Tuy nhiên, mô hình này chỉ giải thích được định luật hấp dẫn Newton, chứ chưa nắm bắt được những đặc tính sâu hơn như độ cong không-thời gian trong thuyết tương đối rộng
- Lý thuyết mới cũng liên hệ với chồng chập lượng tử, sự sụp đổ của hàm sóng và những khái niệm khác, từ đó mang lại manh mối cho việc tìm hiểu lý thuyết hấp dẫn lượng tử cũng như bản chất của lực hấp dẫn
Newton, Einstein và cách diễn giải lại lực hấp dẫn
- Isaac Newton từng bối rối về bản chất của lực hấp dẫn, và vào thời đó nhiều học giả đã cố gắng diễn giải hấp dẫn không phải là một “lực kéo” mà thực chất là một “lực đẩy”
- Albert Einstein mô tả lực hấp dẫn là sự biến dạng của không gian và thời gian, nhưng đây cũng chưa phải là lời giải thích hoàn chỉnh
- Cách hiểu cho rằng hấp dẫn là hiện tượng xuất hiện từ hiệu ứng tập thể của các hạt vi mô, tức một dạng “swarm behavior”, vẫn là chủ đề được nhiều nhà vật lý quan tâm
Sự hồi sinh hiện đại của lý thuyết hấp dẫn entropy
- Gần đây, một nhóm các nhà vật lý lý thuyết như Daniel Carney đã đề xuất một mô hình trong đó tồn tại một hệ nhiệt vô hình trong vũ trụ, và nhờ đó mọi hiện tượng hấp dẫn mà chúng ta biết đến đều có thể được giải thích
- Cách tiếp cận này được gọi là “hấp dẫn entropy” và xem lực hấp dẫn như một dạng vật lý của nhiệt (heat)
- Hấp dẫn entropy giải thích rằng lực hấp dẫn được tạo ra theo cùng nguyên lý với hiện tượng entropy tăng lên do chuyển động ngẫu nhiên và sự trộn lẫn của các hạt, giống như trong nồi hơi, động cơ ô tô hay tủ lạnh
Mối liên hệ giữa thuyết tương đối rộng và entropy
- Thuyết tương đối rộng đưa ra những dự đoán đẹp đẽ và chính xác, nhưng có giới hạn ở các điểm kỳ dị như bên trong lỗ đen, nơi sức mạnh giải thích của nó biến mất
- Thuyết tương đối rộng cho thấy lỗ đen chỉ có thể lớn lên chứ không thu nhỏ, chỉ hấp thụ mà không phát ra, nên có nét tương đồng với các hiện tượng mang tính entropy
- Khi giải thích bằng cơ học lượng tử, lỗ đen có phát xạ nhiệt (bức xạ Hawking), điều này gợi ý rằng lỗ đen hoặc bản thân không-thời gian có thể thực sự được cấu thành từ các hạt hay thành phần vi mô
Nguyên lý toàn ảnh và cách tiếp cận của Jacobson
- Nguyên lý toàn ảnh giải thích rằng các mẫu hình do những hạt vi mô tạo ra có thể tạo thêm một chiều bổ sung, từ đó lực hấp dẫn xuất hiện một cách tự nhiên
- Ted Jacobson đã suy ra các phương trình của thuyết tương đối rộng từ giả định rằng không-thời gian có những tính chất nhiệt riêng của nó
- Cách tiếp cận này nhấn mạnh mối liên hệ sâu sắc giữa hấp dẫn và nhiệt
Mô hình cụ thể của Carney và cộng sự
- Mô hình thứ nhất: không gian được tạo thành từ mạng tinh thể của các hạt lượng tử (qubit), và một vật có khối lượng sẽ sắp xếp lại các qubit lân cận để hình thành một vùng có trật tự hơn (entropy giảm)
- Khi hai khối lượng ở gần nhau hơn, hiệu ứng khiến chúng hút nhau sẽ xuất hiện để làm tăng entropy của toàn hệ
- Hiệu ứng này suy yếu theo khoảng cách giống hệt định luật hấp dẫn Newton
- Mô hình thứ hai: các qubit không bị ràng buộc vào một vị trí cụ thể mà ảnh hưởng đến khối lượng theo cách phi cục bộ
- Khi khoảng cách giữa hai khối lượng thay đổi, năng lượng mà mỗi qubit có thể lưu trữ cũng thay đổi → khiến entropy của hệ tăng lên khi các khối lượng tiến lại gần nhau
Điểm mạnh và giới hạn
- Cả hai mô hình đều chưa có bằng chứng độc lập về sự tồn tại thực sự của các qubit, đồng thời cần tinh chỉnh rất nhiều về độ mạnh và hướng của lực
- Chúng không giải thích được các đặc tính cốt lõi của hấp dẫn như độ cong không-thời gian trong thuyết tương đối rộng hay việc không cảm nhận được trọng lực khi rơi tự do
- Chúng chỉ giải thích được vùng hấp dẫn yếu kiểu Newton, và thiếu khả năng giải thích các vùng hấp dẫn mạnh như lỗ đen
- Các mô hình hiện mới dừng ở mức chứng minh nguyên lý, nên còn hạn chế nếu dùng để mô phỏng vũ trụ thực
Kiểm chứng thực nghiệm và ý nghĩa
- Ưu điểm lớn nhất của lý thuyết là nó đưa ra các dự đoán có thể kiểm chứng
- Ví dụ, khi một vật có khối lượng ở trong trạng thái chồng chập lượng tử và tồn tại đồng thời ở hai vị trí, mô hình này dự đoán rằng các qubit sẽ làm trạng thái đó sụp đổ
- Điều này liên hệ với hiện tượng sự sụp đổ của hàm sóng, và hiện nay đã có những nỗ lực nhằm kiểm chứng thực nghiệm các mô hình sụp đổ như vậy
- Vì vẫn chưa xác định được liệu hấp dẫn thực sự xuất hiện theo cách toàn ảnh hay không, nên khả năng nó có nguồn gốc entropy vẫn đáng để nghiên cứu
Kết luận và hàm ý
- Dù lý thuyết hấp dẫn entropy vẫn là một giả thuyết thiểu số, nó vẫn mang đến những hướng thực nghiệm mới và các câu hỏi mới cho việc hiểu bản chất của lực hấp dẫn
- Nếu lý thuyết này là đúng, lực hấp dẫn có thể cần được diễn giải lại không còn là một định luật, mà là một xu hướng thống kê
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tôi muốn giải thích rằng hấp dẫn entropic khá giống với "hiệu ứng hạt Brazil"
Hiệu ứng hạt Brazil là hiện tượng khi cho các loại hạt có kích thước khác nhau vào một chiếc cốc thủy tinh rồi lắc, thì hạt lớn (hạt Brazil) sẽ nổi lên trên
Hiện tượng này có thể được hiểu là vì hạt lớn nặng hơn nên di chuyển chậm khi bị lắc, còn các hạt nhỏ như đậu phộng sẽ lấp vào khoảng trống phía dưới
Trong lý thuyết hấp dẫn entropic, người ta hình dung có một mật độ nền của các hạt ngẫu nhiên va đập mạnh vào vật thể từ mọi hướng
Khi hai khối lượng lớn tiến lại gần nhau, mật độ hạt giữa chúng giảm xuống nên trông như thể chúng hút nhau
Cách giải thích là các hạt tạo ra một hiệu ứng giống như đổ bóng
Tuy vậy, tôi nghĩ giả định về mật độ mà các hạt tương tác với vật thể lớn khó mà đứng vững một cách thuyết phục
Nếu ai hiểu rõ hơn có thể chỉ ra chỗ sai thì tốt
Hiệu ứng hạt Brazil là một hiện tượng có thể quan sát được trong thực tế
Nếu muốn lấy nho khô ra thì hãy lắc ngũ cốc, và với khay vệ sinh mèo, nếu lắc thì “món quà” cũng sẽ trồi lên trên
Có thể tham khảo giải thích Wikipedia về đối lưu hạt và video YouTube ở link dưới
Tôi cũng không phải nhà vật lý, nhưng đoạn trên làm tôi nhớ đến một phần trong bài giảng của Feynman
Link bản gốc bài giảng Feynman
Ý chính là ông mô tả một trong nhiều giả thuyết nhằm giải thích hấp dẫn, giả sử có các hạt chuyển động với vận tốc rất cao theo mọi hướng và chỉ bị hấp thụ một chút
Các hạt này va vào Trái Đất, và nếu đồng đều từ mọi phía thì sẽ cân bằng
Nhưng khi Mặt Trời ở gần, một phần hạt đến từ hướng Mặt Trời bị hấp thụ nên số hạt incoming từ hướng đó giảm đi
Vì thế Trái Đất rốt cuộc có vẻ như bị kéo về phía Mặt Trời, nhưng thực ra lý thuyết này không đúng
Nếu điều đó đúng, khi Trái Đất quay quanh Mặt Trời, nó sẽ nhận nhiều hạt hơn từ phía trước nên gặp lực cản và sớm dừng lại
Với cơ chế này, không thể có chuyện quỹ đạo bền lâu như của Trái Đất trong vũ trụ thực
Tức là rất nhiều người đã nghĩ ra kiểu máy hấp dẫn này, nhưng nó luôn đưa ra dự đoán sai nên không thể成立
Video YouTube này giải thích vật lý hạt tốt hơn
Tốc độ rung (biên độ) cho thấy các hạt có thể sắp xếp theo cách ngoài dự đoán
Ở mức rung thấp, nó hành xử giống hấp dẫn Newton, nhưng ở mức rung nhanh hơn thì xuất hiện hiện tượng gần với hấp dẫn MOND
Các thiên hà và khoảng trống lớn cũng có thể hình thành, và về lý thuyết có thể giải thích mà không cần vật chất tối
Theo cách diễn giải entropic, có X trạng thái đồng xác suất, và khi số trạng thái thỏa một điều kiện nào đó nhiều hơn, thì trạng thái kế tiếp có xác suất đi về phía đó cao hơn
Ví dụ, nếu tung N đồng xu thì có 2^N trạng thái khả dĩ
Trường hợp tất cả đều ngửa chỉ có đúng một trạng thái
Còn tổ hợp một nửa ngửa, một nửa sấp thì nhiều hơn rất nhiều, nên khi N lớn, trạng thái “vĩ mô” trung bình là một nửa ngửa sẽ áp đảo
Entropy là câu chuyện về việc hệ tự nhiên có xu hướng đi về phía những “trạng thái vĩ mô có nhiều cách xảy ra” như vậy
Tôi nghi ngờ cách giải thích rằng “vật lớn có khối lượng lớn hơn nên di chuyển chậm hơn khi bị lắc”
Nếu vật lớn di chuyển chậm hơn thì xét theo hệ quy chiếu gia tốc của cái bình, chẳng phải có thể xem là nó di chuyển nhanh hơn sao?
Cách giải thích đời thường mà tôi hiểu là khi lắc sẽ tạm thời tạo ra các khoảng trống, và vật nhỏ có xác suất cao hơn để chui vào các khoảng trống nhỏ đó rồi rơi xuống dưới
Có phải hạt có khối lượng lớn hơn thì thực ra lại nhỏ hơn không (xét theo bước sóng de Broglie), vậy thì “cái bóng” mà nó tạo ra cũng sẽ nhỏ hơn chăng?
Hay là trong các tương tác khác, mối quan hệ giữa “kích thước” và khối lượng của hạt lại khác đi, ví dụ trong hấp dẫn thì kích thước hạt tỉ lệ với khối lượng, nên tôi thấy hơi rối
Và thêm nữa, ở phần nhập môn QM (cơ học lượng tử), nếu wavefunction giải thích biên độ xác suất vị trí khi đo bằng “photon”, thì nếu đo bằng một tương tác khác như boson Z chẳng hạn, cách diễn giải “vị trí” của hạt có thay đổi hoàn toàn hay không cũng là điều tôi thắc mắc
Định nghĩa entropy trong cơ học thống kê đến từ số cách sắp xếp khả dĩ của các hạt trong hệ
Trong một hệ kín, entropy hội tụ về trạng thái cân bằng thường được gọi khá kịch tính là “heat death”
Nhưng vũ trụ đang giãn nở, nên số cách sắp xếp khả dĩ (số trạng thái) cũng liên tục tăng
Nếu tốc độ giãn nở của vũ trụ nhanh hơn tốc độ tái phân bố các thành phần, thì entropy thậm chí có thể giảm
Theo góc nhìn này, các lý thuyết đưa entropy vào làm yếu tố cốt lõi của hấp dẫn có thể dự đoán rằng hấp dẫn thay đổi theo thời gian
Tôi thấy hấp dẫn entropic là một framework hấp dẫn
Nhiều nhà vật lý mong rằng “lý thuyết của mọi thứ” chưa được khám phá cuối cùng sẽ là một lý thuyết vi mô, mang tính lượng tử, và lực hấp dẫn cực yếu sẽ xuất hiện từ lý thuyết đó gần như một kiểu sai số sổ sách
Nhưng các lý thuyết như vậy về cơ bản dựa trên quá nhiều giả định, nên kể cả khi ai đó nói “nhìn này, ra phương trình Einstein rồi”, cũng khó mà tin ngay được
Jacobson đã chỉ ra rằng nếu kết hợp nhiệt động lực học và thuyết tương đối hẹp thì có thể suy ra thuyết tương đối rộng, nhưng bản thân hai điều kiện đó quá chung chung nên khiến tôi băn khoăn không biết còn phải đòi hỏi thêm gì nữa không
Tôi muốn biết cụ thể những giả định nào mà bạn thấy là có vấn đề
Ở mức độ mà bài báo đang nói đến, tôi hiểu là vẫn chưa lên tới phương trình Einstein mà mới chỉ ở mức hấp dẫn Newton cổ điển
Tôi đồng ý với nhận định rằng “lý thuyết của mọi thứ chưa được khám phá có lẽ sẽ mang dạng vi mô và lượng tử”
Còn chuyện “hấp dẫn phát sinh như một lỗi kế toán trong lý thuyết” thì tôi nghĩ có lẽ nó sẽ giống một họ boson kỳ lạ khác hơn (dưới dạng hạt)
Trong bài có đoạn:
“Hấp dẫn entropic hiện vẫn là quan điểm thiểu số, nhưng không phải là một ý tưởng sẽ sớm biến mất, và ngay cả những người chỉ trích cũng không thể hoàn toàn phớt lờ nó”
Tôi là nhà vật lý thực nghiệm, nên trước khi hào hứng với một lý thuyết mới, tôi luôn phải kiểm tra xem nó có đi tới được mức dự đoán hiện tượng có thể quan sát hay không
Vì vậy tôi cũng hoài nghi các lý thuyết như của Wolfram
Dù chúng có giải thích được hàng loạt lý thuyết hiện có (thuyết tương đối hẹp, một phần cơ học lượng tử, hấp dẫn v.v.), nếu không có dự đoán mới có thể kiểm chứng hoặc nền tảng cơ bản mới, thì tôi xem đó là “overfit”
Một lý thuyết có thể cho ra 10 dự đoán đều khớp thực tế, nhưng nếu tất cả đều là những điều ta đã biết, thì khó kỳ vọng có gì mới mẻ
Các lý thuyết emergent như thế này có thể suy ra hấp dẫn Newton hoặc tương đối rộng, nhưng chưa rõ thực sự có gì để kiểm chứng bằng thực nghiệm
Nếu nó dự đoán được MOND (động lực học Newton sửa đổi) mà không cần đưa vào một trường MOND riêng, thì lúc đó mới có thể nói là nó có thể bị phản bác ở mức kiểm chứng của MOND
Thỉnh thoảng tôi nghĩ nếu vật lý của chúng ta vốn không cho phép sự tồn tại của hố đen, thì chúng ta đã stress-test lý thuyết bằng cách nào
Tôi nghĩ hố đen trong vũ trụ học đóng vai trò quan trọng với tiến bộ lý thuyết giống như “nến chuẩn” vậy
Trên thực tế, cho đến khi chứng minh được tính hữu dụng, ta nên xem đây như khoảng thời gian vui vẻ để giải các bài toán toán học
Người ta cho rằng trong hai mô hình, mô hình nào có “độ dài mô tả tối thiểu (MDL)” ngắn hơn thì có xác suất tổng quát hóa mạnh hơn
Tôi nghĩ từ tính (magnetism) gần với hấp dẫn hơn
Tôi đã nói điều này nhiều năm rồi, và cảm giác rằng phần lớn các từ trường không thẳng hàng cộng lại sẽ tạo ra một hiệu ứng thuần hút rất nhỏ
Tôi không thực sự hiểu
Với tôi, entropy không phải là hiện tượng vật lý có thật, mà là con số biểu diễn sự không hoàn hảo khi ta không biết trọn vẹn về một hệ nào đó
Chúng ta chỉ quan sát được các tính chất vĩ mô của vật chất nên tạo ra một chỉ số không phản ánh đầy đủ thực tại vi mô
Nếu có kính hiển vi để biết hoàn hảo thế giới vi mô, thì chính khái niệm entropy sẽ trở nên vô nghĩa
Vì vậy tôi không hiểu chuyện hấp dẫn hay các tương tác cơ bản khác lại xuất phát từ entropy
Tôi nghĩ entropy là một khái niệm do con người tạo ra
Đó là một hiểu lầm
Entropy vật lý chi phối các hiện tượng có thật
Ví dụ như vì sao băng tan trong một căn phòng ấm, hay vì sao dây cáp ngày càng rối
Việc chúng ta đo entropy chỉ là cách tóm tắt các trạng thái vĩ mô như cục băng trong phòng hay đống dây rối
Entropy theo cách của Boltzmann giải thích xu hướng entropy tăng tổng thể vì số cách sắp xếp theo kiểu “hỗn độn” áp đảo hơn rất nhiều
Vì thế băng nhất định sẽ tan
Entropy cũng là một “thực thể” vật lý giống như nhiệt độ
Việc nhiệt độ không tồn tại ở mức hạt đơn lẻ không có nghĩa nó không phải đại lượng vật lý
Entropy đo số vi trạng thái của một hệ cụ thể, và con số này tồn tại độc lập với người quan sát
Về nền tảng, entropy đúng là chứa đựng “sự thiếu hiểu biết” do ta không thể biết hoàn toàn hệ
Dù vậy, trong phòng thí nghiệm người ta vẫn có thể đo được hiện tượng “lực entropic (entropic force)” thực sự
Khuyến nghị xem giải thích Wikipedia về lực entropic và ví dụ ideal chain
Theo góc nhìn này, entropy không chỉ là một cách tính do con người đặt ra, mà vì nó mô tả hiệu quả các hiện tượng quan sát được nên là một khái niệm thực dụng trong vật lý, dù không phải định luật nền tảng nhất
Nếu tin vào hấp dẫn entropic, bạn sẽ ủng hộ giả thuyết rằng hấp dẫn là một “hiện tượng xuất hiện”, và như vậy rốt cuộc vẫn cần một lý thuyết hấp dẫn nền tảng hơn
Các nghiên cứu hiện nay thường có xu hướng lượng tử hóa hấp dẫn trực tiếp, nhưng hấp dẫn entropic giống như nói rằng đừng cố lượng tử hóa phương trình khí lý tưởng một cách gượng ép
Nói thêm, không thể có “entropy không có phân bố xác suất”. Việc cứ khăng khăng entropy là một “đại lượng thực tại” là cách nhìn kiểu thế kỷ 19
Entropy trong khoa học máy tính khác với entropy trong vật lý
Tôi đề xuất xem bài nói chuyện này, giải thích khá rõ sự khác biệt
Trước đây tôi cũng nghĩ entropy chỉ đơn thuần là vấn đề giới hạn nhận thức của chúng ta, nhưng giờ tôi tin rằng do nguyên lý bất định Heisenberg, việc biết hoàn hảo vi trạng thái là điều về bản chất không thể
Mọi sự kiện về cơ bản đều không thể đảo ngược, và entropy luôn tăng
Sự hoàn hảo chỉ có thể tồn tại trong lý thuyết mà thôi
Ý tưởng rằng hấp dẫn xuất hiện tùy theo cách thông tin vận hành là một khái niệm hấp dẫn
Tuy nhiên, tôi vẫn chưa thấy bằng chứng rõ ràng nào cho thấy mô hình này dự đoán các hiện tượng khác với thuyết tương đối rộng
Hiện giờ đây là một lý thuyết thú vị để bàn luận, nhưng còn khó để chấp nhận hoàn toàn
Tôi tò mò liệu mô hình vật lý dựa trên hypergraph của Wolfram có tương thích với góc nhìn này không
Trong khuôn khổ đó, hấp dẫn có thể được xem là hiện tượng xuất hiện từ hành vi thống kê của quá trình tiến hóa hypergraph, và có khả năng diễn giải hấp dẫn như một “lực entropy” phát sinh từ xu hướng tối thiểu hóa độ phức tạp tính toán của hệ
Giới thiệu một ví dụ thú vị về emergent fox-treasure gravity trong game Skyrim
Bài viết liên quan
Tóm lại, vì khu vực có kho báu thể hiện “entropy” cao hơn trong các đường đi ngẫu nhiên của con cáo, nên con cáo vô tình có xu hướng đi về phía kho báu dễ hơn
Nếu là hấp dẫn entropic thì chẳng phải nó khá giống lực nổi (buoyancy) sao?