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Exploring the Origin of Gravity
Los físicos podrían haber hallado el origen de la gravedad,
y eso por fin explicará por qué la gravedad es diferente de
las demás fuerzas de la naturaleza. No es una idea disparatada al azar,
es realmente un hito y una de las líneas de investigación
más infravaloradas en los fundamentos de la física.
El origen de la gravedad, según los autores del nuevo artículo,
es la entropía. Las leyes de la gravedad, dicen, son similares a las de
los gases o fluidos, excepto que también hay que tener en
cuenta la física cuántica. Verán, la relatividad general
de Einstein dice que la materia y la energía curvan el espacio y
el tiempo. Pon un planeta en algún lugar y el espacio-tiempo se curva a su
alrededor. La luz sigue esa curva. Los relojes avanzan a distinto ritmo.
Las manzanas caen. Los físicos obtienen la titularidad.
Pero la relatividad general no nos dice por qué la materia
debería curvar el espaciotiempo exactamente de esta manera.
Nos da una hermosa ecuación, pero esta ecuación se parece más a
un libro de reglas que a una explicación. ¿Por qué la gravedad
funciona como lo hace? Einstein no explicó eso.
Pero ahora podríamos saberlo. La idea subyacente del
nuevo artículo no es nueva. Sus orígenes se remontan a
Bekenstein y Hawking, quienes hallaron que los agujeros negros tienen temperatura
y también entropía. Esto es ahora un hecho comprobado,
pero hace 50 años, fue un paso verdaderamente radical.
Los agujeros negros son espaciotiempos con ciertas propiedades
geométricas. No tienen por qué tener temperatura
ni entropía.
Estas son magnitudes que pertenecen a la termodinámica,
no a la gravedad.
Y aun así, las matemáticas funcionan. La entropía de los agujeros negros
es proporcional a su área superficial.
Esta es una forma sencilla de entender por qué, si fusionas dos agujeros negros,
su área superficial siempre aumentará, porque la entropía
no puede disminuir. Pero ¿qué significa?
¿Es este vínculo entre la gravedad y la entropía una coincidencia o un
indicio de algo más profundo? ¿Es este el origen de la gravedad?
En 1995, Ted Jacobson demostró que el vínculo entre
la gravedad y la termodinámica es más fuerte de lo que se pensaba.
Demostró que el vínculo no solo existe cerca de los agujeros negros.
Encontró la forma de usar las matemáticas de los horizontes de
agujeros negros en todas partes. Luego usó una simple relación
termodinámica, que es que la energía que cruza un horizonte
está relacionada con un
cambio de entropía, y la entropía es proporcional al área.
En conjunto, esto significa que el flujo de energía deforma
espaciotiempo. Si calculas los detalles, surgen las ecuaciones
de Einstein. ¡Hurra! Ya era un hallazgo extraordinario, pero
tenía un problema. ¿De qué entropía estamos hablando?
Los autores del nuevo artículo muestran, sorprendentemente, que funciona con
la entropía de campos cuánticos. Sí, así es, campos
cuánticos como los que describen todas las partículas del
modelo estándar. El cálculo del artículo es pulcro y
simple. Los autores básicamente se preguntan cuán distintos
son dos
estados cuánticos. Un estado es el vacío.
El otro es el vacío más una pizca de materia o energía.
Luego calculan la diferencia entre estos dos estados, lo que se
llama entropía relativa. Esto mide qué tan similares son los estados,
y el punto relevante es que en la teoría cuántica de campos esto dice
cuánta energía fluirá. Ya ves que ahora todo está
conectado. La entropía te dice cómo cambian las áreas,
y los campos
cuánticos te dicen qué flujo de energía requiere eso.
A partir de esto, recuperan la teoría de Einstein.
Y sí, es realmente la teoría de Einstein, una teoría no
cuántica. Esto es lo fundamental de toda
esta
idea, que explica por qué la gravedad no es una
teoría cuántica.
Es porque es una descripción global de otra cosa.
Es una propiedad emergente, al igual que las leyes de
la termodinámica. Le doy a este artículo un uno de diez en el
medidor de
patrañas. Es realmente una nueva forma de conectar
la física cuántica, la información y
la gravedad con las matemáticas en su lugar.
No es un cero porque todavía no sabemos la entropía de qué
de lo que estamos hablando. ¿Qué pasa con toda esta gente que trabaja en
la gravedad entrópica,
que nunca abordan la única pregunta a la que queremos una respuesta?
Si la gravedad es emergente, ¿entonces de qué
surge? Bien, ahora sabemos que los campos cuánticos funcionan.
Está bien, ¿pero qué campo cuántico?
¿Cuerdas, gravitones, mariposas?
Dicho esto, independientemente de lo que piensen al respecto,
es un hecho
matemático que la gravedad se puede escribir en forma de termodinámica.
Eso, en sí mismo, es curioso cuanto menos.
Y si la gravedad es información, ¿alguien puede calcular, por favor, cuánto
falta para que mi bandeja de entrada colapse en un agujero negro?
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Original transcript (English)
Physicists may have found the origin of gravity, and that will finally explain why gravity's different from the other forces of nature. It's not a random crack idea, it's genuinely a milestone and one of the most underrated research directions in the foundations of physics.
The origin of gravity, according to the authors of the new paper, is entropy. The laws of gravity, they say, are similar to those of gases or fluids, except that you also need to take into account quantum physics. You see, Einstein's general relativity says that matter and energy curve space and
time. Put a planet somewhere and spacetime bends around it. Light follows that bend. Clocks tick differently. Apples fall. Physicists get tenure. But general relativity doesn't tell us why matter should curve spacetime in exactly this way.
It gives us a beautiful equation, but this equation is more like a rule book than an explanation. Why does gravity work the way it does? Einstein didn't explain that. But now we might know. The underlying idea of the new paper is not new. Its origins go back to
Bekenstein and Hawking, who found that black holes have a temperature and an entropy, too. This is now an established fact, but 50 years ago, it was a truly radical step. Black holes are spacetimes with certain geometric features. They have no business having temperature
or entropy. These are quantities that belong to thermodynamics, not gravity. And yet the maths works. The entropy of black holes is proportional to their surface area.
This is a simple way to understand why, if you merge two black holes, their surface area will always increase, because entropy can't decrease. But what does it mean? Is this link between gravity and entropy a coincidence or a hint at something deeper? Is this the origin of gravity?
In 1995, Ted Jacobson showed that the link between gravity and thermodynamics is stronger than originally thought. He showed that the link doesn't just exist near black holes. He found a way to use the mathematics of black hole horizons everywhere. He then used a simple thermodynamic
relation, which is that energy crossing a horizon is related to a change of entropy, and entropy is proportional to area. Taken together, this means that the flux of energy deforms spacetime. If you work out the details, out come Einstein's
equations. Hooray. This was a remarkable finding already, but it had a problem. The entropy of what are we dealing with? The authors of the new paper show, amazingly enough, it works with the entropy of quantum fields. Yes, that's right, quantum fields like the ones that describe all the particles in the
standard model. The calculation in the paper is neat and simple. The authors basically ask how different two quantum states are. One state is the vacuum. The other is the vacuum plus a tiny bit of matter or energy.
Then they calculate the difference between these two states, which is called relative entropy. This is a measure for how similar the states are, and the relevant point is that in quantum field theory, this tells you how much energy will flow. So you see, now you have it all tied together. Entropy tells you how the areas change,
and the quantum fields tell you what energy flow that requires. From this, they recover Einstein's theory. And yes, that's really Einstein's theory, a non-quantum theory. This is kind of the big deal about this
entire idea, that it explains why gravity's not a quantum theory. It's because it's a bulk description of something else. It's an emergent property, just like the laws of
thermodynamics. I give this paper a 1 out of 10 on the bullshit meter. It's really a new way to connect quantum physics, information, and gravity with the maths all in place.
It's not a zero because we still don't know the entropy of what we're talking about. What is it with all these people who work on entropic gravity that they never address the one question that we want an answer to? If gravity is emergent, then what does it emerge
from? Okay, so now we know that quantum fields work. That's nice, but what quantum field? Strings, gravitons, butterflies? That said, regardless of what you think about this, it's a mathematical
fact that gravity can be written in the form of thermodynamics. That in and of itself is curious to say the least. And if gravity is information, can someone please calculate how much longer until my inbox collapses to a black hole?
