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ART und Thermodynamik

Einstein über die Schulter geschaut: Fragestellungen zur Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie, mathematische Methoden, Bedeutung und Interpretation
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ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 19. Aug 2014, 11:03

Hallo zusammen,

ich habe vor einiger Zeit ein Paper von Erik Verlinde gelesen, das ich hier gerne zur Diskussion stellen möchte. Die Referenz dazu findet Ihr unten. Erik Verlinde definiert dort mit wenigen (einfachen) Annahmen auf Basis des holografischen Prinzips eine entropische (osmotische) Kraft und kann damit dann folgende Ergebnisse ableiten:

1. Das Newtonsche Gravitationgesetz
2. Den Hintergrund von F = ma
3. Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein (ART)

In dem Artikel wird auch erwähnt, dass die hierbei aufgezeigte Herleitung der ART aus der Thermodynamik und dem holografischen Prinzip bereits 1995 durch Ted Jacobson erfolgte. Den Link dazu findet Ihr im Paper. Das habe ich nicht gelesen.

Erik Verlinde folgert daraus, dass die Gravitation keine Eigenschaft der Materie, sondern ein emergentes Phänomen sein könnte. Ausserdem könnte die Trägheit hierdurch ebenfalls besser verstanden werden. Natürlich hätte dies auch andere sehr weitreichende Konsequenzen auf die Entwicklung unseres Universums und wie es entstanden ist.

Kennt jemand diesen Artikel bzw. hat Lust, ihn mal zu lesen (es lohnt sich aus meiner Sicht) und Kommentare dazu zu posten?

Referenz: Verlinde, E. (2010), On the origin of gravity and the laws of Newton. arXiv:1001.0785 (hep-th)
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 19. Aug 2014, 16:08

so wie ich das sehe ist die Diskussion zu der Idee wieder im Sande verlaufen ...
Gruß
Tom

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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 20. Aug 2014, 08:37

tomS hat geschrieben:so wie ich das sehe ist die Diskussion zu der Idee wieder im Sande verlaufen ...
Ja, leider. Ich habe bei den Einwänden, die ich gefunden habe, keine wirklich zwingenden Gegenargumente ausmachen können und an Ideen, die aus sehr einfachen Prinzipien tiefe Schlussfolgerungen ziehen können, in der Regel sehr interessiert. Daher würde mich Eure persönliche Meinung dazu sehr interessieren.

Viele Grüße
Job
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 21. Aug 2014, 08:05

Ich bin der Meinung, dass viele Ansätze zur Quantengravitation existieren, die deutlich weiterentwickelt sind
Gruß
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von seeker » 21. Aug 2014, 08:59

Ich habe Sekundärtexte gefunden. Vielleicht hilft das als Einstieg, um zu verstehen, worum es überhaupt geht:

"Gravitation als Illusion?
Der holländische Physiker Erik Verlinde argumentiert, dass Gravitation keine fundamentale Kraft ist und selbst Konzepte wie "Raum" eine Illusion darstellen. Das sogenannte "holographische Prinzip" wird dabei an die Spitze gestellt."
http://www.teilchen.at/news/322

Ein kurzer Überblick über verschiedene Ansätze:

"Theoretische Physik
Der Ursprung von Raum und Zeit
Viele Wissenschaftler halten die Physik für unvollständig, solange sie nur das Verhalten von Raum und Zeit erklären kann, nicht aber ihre Herkunft."
http://www.spektrum.de/news/der-ursprun ... it/1207031

Beste Grüße
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 21. Aug 2014, 12:03

tomS hat geschrieben:Ich bin der Meinung, dass viele Ansätze zur Quantengravitation existieren, die deutlich weiterentwickelt sind
Da stimme ich zu. Die Frage für mich ist dabei aber, ob sie schliesslich auch zum Erfolg führen werden. Aus meiner Sicht bewegt sich der Mainstream der Physik in einem Raum, der von folgenden Koordinaten wesentlich bestimmt wird:

1. Die Quantenmechanik ist bis zur Planckzeit gültig
2. Die ART ist bis zur Planckzeit gültig
3. Kein Teilchen mit einer Masse > 0 kann sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen
4. Das Universum expandiert
5. Die Zeit ist kontinuierlich

Da unter den Physikern viele der schlausten Menschen auf dem Planeten versammelt sind und diese seit ca. 80 Jahren unter diesen Rahmenbedingungen keine Lösung gefunden haben, drängt sich mir hier die folgende Schlussfolgerung auf:
Es gibt gar keine Lösung unter diesen Voraussetzungen, da sie die Physiker sonst längst gefunden hätten. Mit anderen Worten: mindestens eine der obigen Aussagen müsste falsch sein.

Die Loop-Quantengravitation ist daher ein guter Kandidat, weil sie wohl zumindest die 5. Voraussetzung in Frage stellt. Es gibt aber keine Garantie, dass dies die einzige falsche Aussage sein könnte.

Ich bin daher immer auf der Suche nach Hinweisen, die eine der obigen Annahmen in Frage stellen. Erik Verlinde hat aus meiner Sicht einen Ansatz, der aus der Thermodynamik und einer zusätzlichen einfachen Annahme die ART herleiten kann. Da gehen bei mir alle Alarmglocken an, weil dies eine Sichtweise auf die ART liefert, die mit der obigen 2. Annahme nicht vereinbar ist. Über die Hintergründe der zusätzlichen Annahme, das holografische Prinzip, kann man sicher verschiedener Meinung sein. Ich persönlich halte sie zumindest in der konkret formulierten und so auch von Erik Verlinde benutzten Form in Verbindung mit Information nicht für realistisch. Das ist für mich aber nicht der springende Punkt. An dem Hintergrund der zusätzlichen Annahme kann man noch feilen. Das Ergebnis finde ich aber beeindruckend. Daher hätte ich dies gerne mit Euch diskutiert. Da dies aber zugegeben mit einem größeren Zeitaufwand verbunden ist, kann ich verstehen, wenn sich hier keiner finden würde.

Viele Grüße
Job
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 21. Aug 2014, 12:12

Job hat geschrieben:Aus meiner Sicht bewegt sich der Mainstream der Physik in einem Raum, der von folgenden Koordinaten wesentlich bestimmt wird:

1. Die Quantenmechanik ist bis zur Planckzeit gültig
2. Die ART ist bis zur Planckzeit gültig
3. Kein Teilchen mit einer Masse > 0 kann sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen
4. Das Universum expandiert
5. Die Zeit ist kontinuierlich
1. ja, der Meinung bin ich absolut
2. nein, die ART wird durch die Quantisierung selbstverständflich modifiziert (LQG, Asymptotic Safety, CDT, ...)
3. im engeren Sinne gibt es da zunächst keine Teilchen ;-) aber das ist auch kein fundamentaler Ansatz, sondern ergibt sich m.E. aus den Lösungen der Theorie
4. ist nur eine spezielle Lösung, d.h. kann ersatzlos gestrichen werden
5. in einer kanonischen Formulierung der QG gibt es zunächst mal gar keine Zeit; ich würde zwischen Zeit als Parameter und Zeit als Größe, die einen Prozess beschreibt unterscheiden
Gruß
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 21. Aug 2014, 14:04

tomS hat geschrieben:so wie ich das sehe ist die Diskussion zu der Idee wieder im Sande verlaufen ...
Ein Bekannter schreibt:
I recall an interview with Verlinde, where he says that he's trying to develop the idea alone. He draws an analogy with Einstein's work on relativity and is talking about a timescale of decades.
Gruß
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 21. Aug 2014, 15:18

tomS hat geschrieben:
Job hat geschrieben:Aus meiner Sicht bewegt sich der Mainstream der Physik in einem Raum, der von folgenden Koordinaten wesentlich bestimmt wird:

1. Die Quantenmechanik ist bis zur Planckzeit gültig
2. Die ART ist bis zur Planckzeit gültig
3. Kein Teilchen mit einer Masse > 0 kann sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen
4. Das Universum expandiert
5. Die Zeit ist kontinuierlich
1. ja, der Meinung bin ich absolut
2. nein, die ART wird durch die Quantisierung selbstverständflich modifiziert (LQG, Asymptotic Safety, CDT, ...)
3. im engeren Sinne gibt es da zunächst keine Teilchen ;-) aber das ist auch kein fundamentaler Ansatz, sondern ergibt sich m.E. aus den Lösungen der Theorie
4. ist nur eine spezielle Lösung, d.h. kann ersatzlos gestrichen werden
5. in einer kanonischen Formulierung der QG gibt es zunächst mal gar keine Zeit; ich würde zwischen Zeit als Parameter und Zeit als Größe, die einen Prozess beschreibt unterscheiden


ad 2. ich hätte wohl besser das Wort Mainstream vorher definieren sollen. Unter Mainstream verstehe ich, dass 80-90 % aller Physiker einer jeweiligen Aussage zustimmen würden. Insofern war mir bisher nicht bewusst, dass die LGQ und die CDT bereits zum Mainstream gehören. Sorry.

ad3. Danke für den Hinweis. Ich werde es nun so formulieren:
3. Es gibt nichts, was sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen kann.
Da das Wort Teilchen nach Energie und Masse wohl eines der meist benutzten Wörter auch in der Teilchenphysik ist, werde ich es aber auch weiter benutzen :-)
Ich hatte diese Aussage nicht als Ansatz gemeint, sondern durchaus in Deinem Sinne als Ergebnis der Theorie. Und diese Theorie ist durch Experimente für alle uns bisher bekannten Teilchen und Phänomene ja auch glänzend bestätigt. Ich habe da auch keine Zweifel. Dies schließt aber nicht 100% aus, dass es im Hintergrund nicht doch etwas gibt, was sich schneller als Licht bewegt, so dass die Aussage der Theorie nur für eine Teilklasse gültig ist. Vor gut 100 Jahren haben wir uns auch nicht vorstellen können, dass Newtons Theorie nur für die makroskopischen Teilchen gültig ist und nicht für die Quantenmechanik gilt und dass es so etwas wie Neutrinos gibt.

ad4. Das habe ich nicht verstanden.

ad5. siehe ad2

Viele Grüße
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 21. Aug 2014, 15:41

Job hat geschrieben:ad 2. ich hätte wohl besser das Wort Mainstream vorher definieren sollen. Unter Mainstream verstehe ich, dass 80-90 % aller Physiker einer jeweiligen Aussage zustimmen würden. Insofern war mir bisher nicht bewusst, dass die LGQ und die CDT bereits zum Mainstream gehören.
Ich denke, dass den meisten Physikern bewusst ist, dass die klassische ART im Bereich der Quantengravitation nicht mehr gültig sein kann. Das würde ich als Mainstream bezeichnen. Die Lösungsansätze (LQG etc.) würde ich dagegen sicher nicht als Mainstream bezeichnen.
TomS hat geschrieben:5. in einer kanonischen Formulierung der QG gibt es zunächst mal gar keine Zeit; ich würde zwischen Zeit als Parameter und Zeit als Größe, die einen Prozess beschreibt unterscheiden
Zur Erklärung: wenn man aus der Lagrangedichte L der RT die Hamiltonfunktion H ableitet, so findet man, dass diese schwach Null ist (das gilt bereits für das relativistische freie Teilchen; hier findet man H = p[down]a[/down]p[up]a[/up] - m[up]2[/up] ~ 0) "schwach Null" bedeutet, dass nach der Quantisierung nicht H = 0 als Operatorgleichung gelten kann, sondern H|phys> = 0. D.h. der physikalische Unterraum des gesamten Hilbertraumes erfüllt diese Eigenwertgleichung.

Vergleicht man das nun mit der Schrödungergleichung sowie der Lösung für den Zeitentwicklungsoperator U(t) = exp[-iHt], so findet man, dass U(t)|phys = exp[-iHt]|phys> = id|phys> ist, d.h. alle physikalischen Zustände sind statisch (!) unter Zeitentwicklung. Damit "existiert keine Zeit" (auch das gilt für das relativistische freie Teilchen; der Witz ist aber, dass man dafür eine "neue" Zeit und eine physikalische Hamiltonfunktion einführen kann, bzgl. der alles so funktioniert wie gehabt, d.h. diese neue Hamiltonfunktion generiert die Zeitentwicklung, und sie entsopricht der Energie)
Gruß
Tom

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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 21. Aug 2014, 16:50

Hallo Toms,

ich hatte Deine Aussage zu der Expansion des Universums nicht verstanden, aber trotzdem danke für die Details zu 5. Auch wenn ich mich mit dem Quantenmechanischen Formalismus nicht sehr intensiv beschäftigt habe und daher so formulierte Aussagen nur bedingt verstehe, reicht es hier doch aus, um eine Meinung dazu abzugeben: Hört sich vielversprechend an. Das könnte ein sehr guter Ansatz sein.

Viele Grüße
Job
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von deltaxp » 21. Aug 2014, 17:26

Job hat geschrieben: Da unter den Physikern viele der schlausten Menschen auf dem Planeten versammelt sind und diese seit ca. 80 Jahren unter diesen Rahmenbedingungen keine Lösung gefunden haben, drängt sich mir hier die folgende Schlussfolgerung auf:
Es gibt gar keine Lösung unter diesen Voraussetzungen, da sie die Physiker sonst längst gefunden hätten. Mit anderen Worten: mindestens eine der obigen Aussagen müsste falsch sein.
das kann man im zusammenhang mit der graviation leider nicht so sehen. es gibt einen fundamentalen unterschied: andere theorien haben eine emprische basis. man konnte relativ schnell über experimente herausfinden ob dieser oder jener weg weiter verfolgt muss, weil das experiment eben falsche wege aussonderte. das half die Kräfte zu bündeln und Theorien entscheidend voranzutreiben. bei der graviation geht es aber um so kleine abstände bzw . große energien, dass quanten-graviations-effekte derzeit und wohl auch in absehbar zeit nicht messbar sind. das experiment hilft im moment noch nicht weiter. damit wird es schwer unter ansätzen auszusieben.

zum thema von linde. Das holographische Prinzip ist mittlerweile weitesgehend akzeptiert. In der AdS/CFT-theorie gibt es sogar eine explizite mathematische formulierung der dualität zwischen D-dimensionalen (AdS)-Raum mit Gravitation (closed strings) und D-1-Raum ohne gravitation (open strings). Wenn diese dualität allgemeingültig ist, müssen die Gravitationsgesetze auch rückwärts formulierbar sein aus dem d-1-raum. Es wundert mich also icht so sehr, dass das geht. aber es gibt bisher nichts, woran wir feststellen können, was ist primär. Wenn als primär eine 2d-welt ohne gravitation angesehen und die 3d-welt die holographische projektion ist, dann wird man vielleicht wirklich keine quantengravitation fnden, weil es sie nicht gibt.

Was mich allerdings wundert, ich hab mir das paper mal so halb durchgelesen, dass es mit so wenig aufwand geht, letzlich nur mit Statitistik.
was mir allerdings noch fehlt: er behauptet, dass die raumzeit eine emergente größe, im sinne der entropischen Kraft. das mag für die dritte dimension gelten, aber zumindest bleibt da noch die 2d-Fläche plus zeit, deren holographische projektion wir sind. über die natur des 2d-raumes dieser fläche und der zeit wird keine aussage gemacht. diese beiden raum und die zeitkoordinate des d-1-Raumes sind nicht emergent. Was ich nicht weis, wenn es eine d-1-Brane ist, dann ist ja ein objekt der stringtheorie. inwiefern eine weitere unterteilung hier sinn macht weiss ich nicht, nen string selber wird ja auch nicht weiter gequantelt. aber selbst wenn das nicht nötig wäre, hat die stringtheorie immer noch 10 raum und eine zeit dimension (also M-therie), über den keine aussage gemacht wird.

so oder so: auch wenn unsere Raumzeit in der wir leben emergent wäre, würde es irgendwo eine ander geben, die unsere hervorbringt, aber selbst nicht emergent ist. aber vielleicht muss sie es nicht sein, wenn flach ist. ich weiss es nicht.

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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 21. Aug 2014, 18:26

deltaxp hat geschrieben: Was mich allerdings wundert, ich hab mir das paper mal so halb durchgelesen, dass es mit so wenig aufwand geht, letzlich nur mit Statitistik.
Genau das ist aus meiner Sicht das eigentlich faszinierende. Als Stringtheoretiker ist verständlich, dass er versucht, dies damit in Verbindung zu bringen. Aber die brauchen wir hier nicht unbedingt. Es reicht aus, eine entropische (osmotische) Kraft mit einer bestimmten Ausprägung zu definieren. Es ist so ähnlich, als wenn wir eine nasse Kirsche hätten, in der durch Osmose ein Überdruck = (Emergenz) erzeugt wird. Das wäre reine Thermodynamik. Das Problem ist, ein entsprechendes (möglichst auch einfaches) Umfeld zu finden bzw. zu definieren, aus dem sich diese Kraft dann ableiten lässt. Das würde aber ein völlig anderer Ansatz sein als heute. Und er muss ja auch noch zu den anderen passen. Ich habe daher wenig Hoffnung, dass sich jemand damit ernsthaft beschäftigt. Wäre aber verständlich. Wenn ich Physiker wäre, würde ich mir das auch mehr als einmal überlegen. Trotzdem finde ich die bisherige Einfachheit frappierend und glaube, dass dies kein Zufall ist, sondern dass die Einfachheit des Ansatzes auf etwas zeigt, was wir bisher übersehen haben. Was auch immer es sein mag.
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 31. Jul 2015, 20:06

Neues von Erik Verlinde:

https://www.youtube.com/watch?v=UTIeJ-a ... e=youtu.be

Sein Vortrag beginnt nach ca. 10 Minuten. Vielleicht hat ja jemand Interesse daran.

Viele Grüße
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Skeltek » 31. Jul 2015, 20:43

Job hat geschrieben: Da unter den Physikern viele der schlausten Menschen auf dem Planeten versammelt sind...
Ja. Viele von den Schlauesten sind dabei, machen aber eine Minderheit der Physiker aus.
Job hat geschrieben:...und diese seit ca. 80 Jahren unter diesen Rahmenbedingungen keine Lösung gefunden haben, drängt sich mir hier die folgende Schlussfolgerung auf:
Es gibt gar keine Lösung unter diesen Voraussetzungen, da sie die Physiker sonst längst gefunden hätten.
Ja, so wie Fermats letztes Theorem. Gut 400 Jahre lang fand keiner der besten Mathematiker der Welt einen Beweis für die primitive halbzeilige Formel
mit

Der Beweis war letztlich 200 Seiten lang und verwendete größtenteils zusammengesammelte Beweise aus dutzenden Gebieten als Korrolare.
Andrew Wiles hat so gut er konnte verheimlicht daran zu arbeiten und sich das meiste nötige Wissen von seinen nichts ahnenden Kollegen zusammengesammelt.
Wenn selbst so eine einfache Formel Mathematikern solche Probleme macht, denkst du wirklich, dass ein großes Gebiet wie die Physik einen Durchbruch in nur so wenigen Jahren schaffen kann oder ein Versagen viel bedeuten sollte?
Selbst Einstein hatte mit seiner "relativ" einfachen Idee Schwierigkeiten und Widerstand. Dabei hatte seine Theorie fast nur gegen kosmologische Traditionen zu kämpfen.


ps: Es ist absolut klar, dass "Masse" nicht so schnell wie c sein kann. Mann kann Masse ja auch nur erzeugen, indem man Sachen antiparalell aufeinanderschießt.
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 2. Aug 2015, 08:43

Skeltek hat geschrieben:Ja, so wie Fermats letztes Theorem. Gut 400 Jahre lang fand keiner der besten Mathematiker der Welt einen Beweis für die primitive halbzeilige Formel ...
Hallo Skeltek,

Schönes Gegenbeispiel. Damit ist mein Argument mit den 80 Jahren nicht wirklich überzeugend. Ich werde in Zukunft darauf verzichten :-) Danke.
Skeltek hat geschrieben:ps: Es ist absolut klar, dass "Masse" nicht so schnell wie c sein kann.
Wenn Du unter Masse das verstehst, was elektromagnetischen Ursprungs ist wie Photonen, Protonen, Neutronen und Elektronen und alles, was sich daraus zusammensetzt, stimme ich zu. Sollte es aber Teilchen mit einer Masse > 0 geben, die nicht elektromagnetischen Ursprungs ist, ist dies nicht mehr "absolut klar". Denn darüber macht Einsteins Arbeit von 1905 keinerlei Aussagen

Viele Grüße
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 2. Aug 2015, 08:47

Protonen- und Neutronenmasse ist nicht elektromagnetischen Ursprungs, sondern folgt aus der QCD.

Die Elektronenmasse resultiert aus der WW mit dem Higgsfeld.
Gruß
Tom

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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Job » 2. Aug 2015, 09:06

tomS hat geschrieben:Protonen- und Neutronenmasse ist nicht elektromagnetischen Ursprungs, sondern folgt aus der QCD.

Die Elektronenmasse resultiert aus der WW mit dem Higgsfeld.
Gut, dann formuliere ich es genauer. Über hypothetische Teilchen, die keine Ladung haben und eine Masse << als die Masse eines Elektrons, macht Einsteins Arbeit von 1905 keine Aussage.

Viele Grüße
Job
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von Skeltek » 2. Aug 2015, 22:05

tomS hat geschrieben:Protonen- und Neutronenmasse ist nicht elektromagnetischen Ursprungs, sondern folgt aus der QCD.

Die Elektronenmasse resultiert aus der WW mit dem Higgsfeld.
Spielt aber doch keine Rolle, ob man den Kuchen in 8 Stücke zu je 1 Kirsche, 1 EL Sahne, 300g Tortenboden...
oder in Tortenboden, Sahne und Tütchen mit 8 Kirschen drin aufteilt, oder?

Dachte Quanten-Chromodynamik behandelt die emergenten meßbaren geometrische Überlagerung von Eigenschaften bzw Zuständen und gibt nicht zwangsläufig etwas über die Träger dieser zurück?
Das ist als würde man Masse mit Drehimpuls vergleichen...
Kenne mich aber bei QCD nicht so aus...
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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von tomS » 2. Aug 2015, 22:36

Skeltek hat geschrieben:Dachte Quanten-Chromodynamik behandelt die emergenten meßbaren geometrische Überlagerung von Eigenschaften bzw Zuständen und gibt nicht zwangsläufig etwas über die Träger dieser zurück?

...
Sorry, ich weiß nicht, was du meinst.
Gruß
Tom

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Re: ART und Thermodynamik

Beitrag von deltaxp » 4. Aug 2015, 13:50

Skeltek, die Quantenchromodynamik ist eine "normale" Quantenfeldtheorie wie die Quanten-Elektrodynamik. Eigentlich ist sie sogar, nur das sie halt als symmetriegruppe die SU(3) hat. (3 Farbladungen), während die QED mit einer Ladung als symmetriegruppe die U(1) hat(Antiteilchen nicht mitgezählt). In gewisser weise ist die QCD sogar die reinste Yang-Mills-Theory in unserer physikalischen Welt, keine spontane Symmetriebrechung wie in der elektro-schwachen theory, alles schön masselose feldbosonen daher, sogar die Quark können in den meisten Rechnungen als masselos angenommen werden.

Die (Higgsfeld) bedingten massen der valenzquarks in den nukleonen, also up und down, steuern nur etwa 10% der Masse von Neutron und Proton bei, 90% kommt über E=mc^2 dynamisch durch die Quark-Gluon-Wechselwirkung zustande, die ja auf engstem raum, halt nukleongröße, eingeschlossen ist.

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