Teoría de la gravedad cuestionada: Erik Verlinde

Una teoría de la gravedad que cuestiona a Einstein pasa su primera prueba experimental
Varios expertos plantean dudas sobre la propuesta del físico holandés Erik Verlinde
22 DIC 2016 - 10:40 CET



Dos personas observan la Vía Láctea en el cerro Paranal (Chile) ESO

El holandés Erik Verlinde acaba de provocar un pequeño terremoto al decir que la materia oscura no existe y cuestionar a Einstein y su teoría de la relatividad. La propuesta de este físico teórico de la Universidad de Ámsterdam ha despertado las suspicacias entre algunos de sus colegas, mientras otros reconocen que su idea es interesante.

La inmensa mayoría de expertos piensa que las leyes formuladas por Isaac Newton hace más de tres siglos y la relatividad aportan la mejor explicación del universo, y la inmensa mayoría de observaciones y experimentos hasta la fecha, incluidas las ondas gravitacionales descubiertas este mismo año, les da la razón. Sin embargo estas teorías no sirven en el mundo de lo muy pequeño, donde las interacciones entre las partículas elementales están gobernadas por la teoría cuántica de campos, incompatible con la relatividad. También en el universo a grandes escalas, en galaxias, grupos de galaxias y los cúmulos con decenas o cientos de galaxias, la gravedad es mucho más fuerte de la que ejerce la materia visible. Para que las ecuaciones de Einstein funcionen en estos entornos es necesario añadir el empuje gravitatorio de la invisible materia oscura y la fuerza de la energía oscura, que acelera la expansión del universo. Juntos, estos dos ingredientes desconocidos suponen el 95% del universo.

La propuesta de Verlinde afirma que la fuerza de la gravedad entre dos objetos muy distantes decae menos de lo que predijeron Newton y Einstein. De esta forma, solo el empuje de la materia visible y la interacción con la energía oscura bastan para explicar el comportamiento de las galaxias.

Un equipo de astrónomos de Holanda, Alemania, Reino Unido y Australia ha puesto a prueba esta teoría en observaciones de más de 33.000 galaxias. Sus conclusiones son que tanto la teoría de Verlinde como la de Einstein sirven para explicar la curvatura de la luz por la gravedad. Pero las ecuaciones de Verlinde, resaltan los autores, explican esa distorsión sin necesidad de materia oscura.

“El resultado de esta primera prueba parece definitivamente interesante”, ha dicho Margot Brower, astrónoma del Observatorio de Leiden y coautora del estudio, publicado online en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. “Ahora la pregunta es si esta nueva teoría sigue adelante y si se puede probar” a mayor escala.

 

Erik Verlinde, físico teórico de la Universidad de Ámsterdam

Árboles en medio del mar

Como teórico de cuerdas,el trabajo del holandés intenta conjugar la naturaleza cuántica de la realidad con los conceptos de espacio y tiempo de Einstein, usando una sola teoría, un logro que sería más importante que la relatividad. “Lo que propone Verlinde es que la energía oscura revela que hay un entrelazamiento cuántico de larga distancia cuyo efecto sería modificar las ecuaciones de la gravitación clásicas a grandes distancias”, explica José Luis Barbón, investigador del Instituto de Física Teórica, en Madrid. “Los físicos vemos la gravitación desde Einstein como una deformación del espacio-tiempo, pero aquí la idea es que la elasticidad intrínseca del espacio es diferente de la habitual cuando te vas a distancias muy grandes, debido a ese entrelazamiento de larga distancia”, añade.

El argentino Juan Maldacena, uno de los físicos teóricos en cuyas ideas se ha inspirado Verlinde, destruye a su colega con una analogía. “Los astrofísicos son como un navegante [...] que va en el medio del océano” y de repente se encuentran ramas de árboles, señala. “La teoría de la materia oscura es análoga a concluir que debe haber una isla cerca, mientras que la teoría de Verlinde es análoga a decir: ‘Oh, hay algas con forma de ramas de árboles que crecen en el mar" . “Creo que es tan probable que su teoría sea cierta como que haya árboles que crecen en el medio del mar”, remacha este físico teórico del Instituto de Estudio Avanzado de Princeton, EE UU.

Mordehai Milgrom, del Instituto Weizmann, en Israel, dice que el trabajo es “muy bienvenido”, porque ayuda a atraer a científicos de disciplinas como la teoría de cuerdas al desarrollo de alternativas a la relatividad. Pero considera que la idea de Verlinde es aún “muy preliminar” y “está muy lejos de haber resuelto el problema de la materia oscura con una teoría fundamental elegante”. Milgrom desarrolló en los 80 la dinámica newtoniana modificada (MOND, en sus siglas en inglés), que también niega que exista la materia oscura. En su opinión, la teoría de Verlinde es una derivada parcial de su propio trabajo, al que además el físico holandés no habría reconocido como debe.

Todas estas teorías alternativas “naufragan bastante” cuando intentan describir el universo a escalas mayores, como los cúmulos de galaxias, así como la estructura detallada de la radiación de fondo radiación de fondo de microondas tras el Big Bang, advierte Barbón. “Las ideas de Verlinde son interesantes, pero muy vagas”, explica. “Es enteramente posible que sean totalmente erróneas, aunque también es posible que encierren algo de verdad, en este momento son demasiado nebulosas como para emitir un veredicto”, señala.

Verlinde no ha respondido a las preguntas de Materia. En un video facilitado por la Universidad de Ámsterdam, dice que la manera de falsar su propuesta es “descubrir una partícula que describa” el comportamiento de la gravedad “en galaxias y grupos de galaxias”, algo que, por ahora, nadie ha logrado.

Entropic Gravity

Entropic gravity is a theory in modern physics that describes gravity as an entropic force—not a fundamental interaction mediated by a quantum field theory and a gauge particle (like photons for the electromagnetic force, and gluons for the strong nuclear force), but a consequence of physical systems' tendency to increase their entropy. The proposal has been intensely contested in the physics community, but it has also sparked a new line of research into thermodynamic properties of gravity.

Origin

The thermodynamic description of gravity has a history that goes back at least to research on black hole thermodynamics by Bekenstein and Hawking in the mid-1970s. These studies suggest a deep connection between gravity and thermodynamics, which describes the behavior of heat. In 1995, Jacobson demonstrated that the Einstein field equations describing relativistic gravitation can be derived by combining general thermodynamic considerations with the equivalence principle.[1] Subsequently, other physicists, most notably Thanu Padmanabhan, began to explore links between gravity and entropy.[2][3]

Erik Verlinde's theory

In 2009, Erik Verlinde disclosed a conceptual model that describes gravity as an entropic force.[4] On 6 January 2010 he published a preprint of a 29-page paper titled On the Origin of Gravity and the Laws of Newton.[5] The paper was published in the Journal of High Energy Physics in April 2011.[6]

Reversing the logic of over 300 years, it argued (similar to Jacobson's result) that gravity is a consequence of the "information associated with the positions of material bodies". This model combines the thermodynamic approach to gravity with Gerard 't Hooft's holographic principle. It implies that gravity is not a fundamental interaction, but an emergent phenomenon which arises from the statistical behavior of microscopic degrees of freedom encoded on a holographic screen. The paper drew a variety of responses from the scientific community. Andrew Strominger, a string theorist at Harvard said “Some people have said it can’t be right, others that it’s right and we already knew it — that it’s right and profound, right and trivial."[7]

In July 2011 Verlinde presented the further development of his ideas in a contribution to the Strings 2011 conference, including an explanation for the origin of dark matter.[8]

Verlinde's article also attracted a large amount of media exposure,[9][10] and led to immediate follow-up work in cosmology,[11][12] the dark energy hypothesis,[13] cosmological acceleration,[14][15] cosmological inflation,[16] and loop quantum gravity.[17] Also, a specific microscopic model has been proposed that indeed leads to entropic gravity emerging at large scales.[18]

On 7 November 2016, Erik Verlinde published 'Emergent Gravity and the Dark Universe'.[19] He received attention in the scientific media and was also picked up by the regular news.[20]

Criticism and experimental tests

Entropic gravity, as proposed by Verlinde in his original article, reproduces Einstein field equations and, in a Newtonian approximation, a 1/r potential for gravitational forces. Since it does not make new physical predictions, it cannot be falsified with existing experimental methods anymore than Newtonian gravity and general relativity.

Even so, entropic gravity in its current form has been severely challenged on formal grounds. Matt Visser, professor of mathematics at Victoria University of Wellington, NZ in "Conservative Entropic Forces" [21] has shown that the attempt to model conservative forces in the general Newtonian case (i.e. for arbitrary potentials and an unlimited number of discrete masses) leads to unphysical requirements for the required entropy and involves an unnatural number of temperature baths of differing temperatures. Visser concludes:

There is no reasonable doubt concerning the physical reality of entropic forces, and no reasonable doubt that classical (and semi-classical) general relativity is closely related to thermodynamics [52–55]. Based on the work of Jacobson [1–6], Thanu Padmanabhan [7– 12], and others, there are also good reasons to suspect a thermodynamic interpretation of the fully relativistic Einstein equations might be possible. Whether the specific proposals of Verlinde [26] are anywhere near as fundamental is yet to be seen — the rather baroque construction needed to accurately reproduce n-body Newtonian gravity in a Verlinde-like setting certainly gives one pause.

For the derivation of Einstein's equations from an entropic gravity perspective, Tower Wang shows [22] that the inclusion of energy-momentum conservation and cosmological homogeneity and isotropy requirements severely restrict a wide class of potential modifications of entropic gravity, some of which have been used to generalize entropic gravity beyond the singular case of an entropic model of Einstein's equations. Wang asserts that:

As indicated by our results, the modified entropic gravity models of form (2), if not killed, should live in a very narrow room to assure the energy-momentum conservation and to accommodate a homogeneous isotropic universe.

A team from the Leiden Observatory testing the lensing effect of gravity around more than 33,000 galaxies concluded that Verlinde's theory agreed with the measured gravity distribution.[23][24]

Entropic gravity and quantum coherence

Another criticism of entropic gravity is that entropic processes should, as critics argue, break quantum coherence. Experiments with ultra-cold neutrons in the gravitational field of Earth are claimed to show that neutrons lie on discrete levels exactly as predicted by the Schrödinger equation considering the gravitation to be a conservative potential field without any decoherent factors. Archil Kobakhidze argues that this result disproves entropic gravity.[25] Luboš Motl gives popular explanations of this position in his blog.[26][27]

https://en.wikipedia.org/wiki/Entropic_gravity

Emergent Gravity and the Dark Universe
Erik P. Verlinde

(Submitted on 7 Nov 2016 (v1), last revised 8 Nov 2016 (this version, v2))

Recent theoretical progress indicates that spacetime and gravity emerge together from the entanglement structure of an underlying microscopic theory. These ideas are best understood in Anti-de Sitter space, where they rely on the area law for entanglement entropy.

The extension to de Sitter space requires taking into account the entropy and temperature associated with the cosmological horizon. Using insights from string theory, black hole physics and quantum information theory, we argue that the positive dark energy leads to a thermal volume law contribution to the entropy that overtakes the area law precisely at the cosmological horizon.

Due to the competition between area and volume law entanglement the microscopic de Sitter states do not thermalise at sub-Hubble scales: they exhibit memory effects in the form of an entropy displacement caused by matter.

The emergent laws of gravity contain an additional `dark' gravitational force describing the `elastic' response due to the entropy displacement. We derive an estimate of the strength of this extra force in terms of the baryonic mass, Newton's constant and the Hubble acceleration scale a_0 =cH_0, and provide evidence for the fact that this additional `dark gravity~force' explains the observed phenomena in galaxies and clusters currently attributed to dark matter.

Cornell University:
https://arxiv.org/abs/1611.02269
http://phys.org/news/2016-11-theory-gravity-dark.html

ERIK VERLINDE DESMIENTE LA EXISTENCIA DE LA MATERIA OSCURA CON SU TEORÍA DE GRAVEDAD ENTRÓPICA
universy noviembre 8, 2016: 2016-11-08T13:29:50+00:00

Una nueva teoría de la gravedad podría explicar los curiosos movimientos de las estrellas en las galaxias. La gravedad emergente, como se llama la nueva teoría, predice exactamente la misma desviación de los movimientos que usualmente se explica al invocar la materia oscura.

Erik Verlinde, renombrado experto en teoría de cuerdas en la Universidad de Amsterdam y el Instituto Delta de Física Teórica, publicó un nuevo trabajo de investigación en el que amplía sus opiniones sobre la naturaleza de la gravedad.

En 2010, Erik Verlinde sorprendió al mundo con una teoría completamente nueva de la gravedad. Según Verlinde, la gravedad no es una fuerza fundamental de la naturaleza, sino un fenómeno emergente. De la misma manera que la temperatura surge del movimiento de partículas microscópicas, la gravedad emerge de los cambios de bits fundamentales de información, almacenados en la estructura misma del espacio-tiempo.

En su artículo de 2010 (Sobre el origen de la gravedad y las leyes de Newton), Verlinde mostró cómo la famosa segunda ley de Newton, que describe cómo las manzanas caen de los árboles y los satélites permanecen en órbita, puede derivarse de estos bloques microscópicos subyacentes.

Extendiendo su trabajo anterior y trabajos realizado por otros, Verlinde ahora muestra cómo entender el curioso comportamiento de las estrellas en las galaxias sin añadir la materia oscura desconcertante.

Las regiones externas de las galaxias, al igual que nuestra propia Vía Láctea, giran mucho más rápidamente alrededor del centro de lo que puede ser explicado por la cantidad de materia ordinaria como estrellas, planetas y gases interestelares.

Algo más tiene que producir la cantidad requerida de fuerza gravitacional, así que los físicos propusieron la existencia de materia oscura. La materia oscura parece dominar nuestro universo, que comprende más del 80 por ciento de toda la materia. Hasta ahora, las supuestas partículas de materia oscura nunca han sido observadas, a pesar de muchos esfuerzos para detectarlas.

Según Erik Verlinde, no hay necesidad de añadir una misteriosa partícula de materia oscura a la teoría.

Verlinde muestra cómo su teoría de la gravedad predice con precisión las velocidades por las que las estrellas giran alrededor del centro de la Vía Láctea, así como el movimiento de las estrellas dentro de otras galaxias.

“Tenemos pruebas de que esta nueva visión de la gravedad realmente coincide con las observaciones”, dice Verlinde. “A grandes escalas, al parecer, la gravedad no se comporta como la teoría de Einstein predice”.

A primera vista, la teoría de Verlinde presenta características similares a las teorías modificadas de la gravedad como MOND (Newtonian Dynamics modificada, Mordehai Milgrom). Sin embargo, cuando MOND sintoniza la teoría para que coincida con las observaciones, la teoría de Verlinde parte de los primeros principios. “Un punto de partida totalmente diferente”, según Verlinde.

Uno de los ingredientes de la teoría de Verlinde es una adaptación del principio holográfico, introducida por su profesor Gerard ‘t Hooft (Premio Nobel 1999, Universidad de Utrecht) y Leonard Susskind (Universidad de Stanford).

Según el principio holográfico, toda la información en todo el universo puede describirse en una esfera imaginaria gigante alrededor de ella. Verlinde ahora muestra que esta idea no es del todo correcta: parte de la información de nuestro universo está contenida en el espacio mismo.

Esta información adicional es necesaria para describir ese otro componente oscuro del universo: La energía oscura, que se cree que es responsable de la expansión acelerada del universo.

Investigando los efectos de esta información adicional sobre la materia ordinaria, Verlinde llega a una conclusión impresionante. Mientras que la gravedad ordinaria puede ser codificada usando la información sobre la esfera imaginaria alrededor del universo, como lo demostró en su obra de 2010, el resultado de la información adicional en la masa del espacio es una fuerza que coincide con la atribuida a la materia oscura.

La gravedad está en extrema necesidad de nuevos enfoques como el de Verlinde, ya que no se combina bien con la física cuántica. Ambas teorías, joyas de la corona de la física del siglo XX, no pueden ser verdad al mismo tiempo. Los problemas surgen en condiciones extremas: cerca de los agujeros negros, o durante el Big Bang.

“Muchos físicos teóricos como yo están trabajando en una revisión de la teoría, y algunos avances importantes se han hecho”, dice Verlinde. “Podríamos estar al borde de una nueva revolución científica que cambiará radicalmente nuestras opiniones sobre la naturaleza misma del espacio, el tiempo y la gravedad”.

REFERENCIA
Emergent Gravity and the Dark Universe, E. P. Verlinde, https://arxiv.org/abs/1611.02269

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