У нашому сучасному розумінні фізики існує суперечність, що впадає в очі.
З одного боку, Всесвіт стає дедалі хаотичнішим. Так вимагає другий закон термодинаміки. Повна ентропія в ізольованій системі має зростати. Хаос повинен здобути гору.
З іншого боку, космос створює неймовірні структури. Галактики. Зірки. Планети. І вас самих.
Як порядок виникає з безладдя? Це здавалося неможливим. Принаймні так ми думали досі.
У новій статті, опублікованій у журналі Physical Review D, пропонується погляд, згідно з яким ця загадка зовсім не є протиріччям. Це проблема перспективи. Математик із Королівського коледжу Лондона Джинестра Бьянкіні застосувала концепцію, відому як гравітація з ентропії (Gravity from Entropy, GfE), щоб показати, що хоча загальна ентропія зростає, локальна ентропія може справді знижуватися. Це дозволяє складним структурам формуватися без порушення будь-яких законів фізики.
Ця робота змінює наше уявлення про гравітацію, час і саму тканину простору-часу.
Другий закон проти космічної складності
Ейнштейн не жартував, називаючи другий закон термодинаміки фундаментальним принципом природи. Він простий: системи рухаються безладно. Тепло поширюється. Лід тане.
Космологи десятиліттями не могли розібратися у цьому питанні.
Ранній Всесвіт був «супом» з низькою ентропією. Вона була гладкою, гарячою та позбавлена деталей. Протягом мільярдів років ця однорідність руйнувалася, перетворюючись на згустки матерії. Під впливом гравітації ці згустки хлопувалися, утворюючи зірки та галактики. Це збільшення організованості. Здається, що ентропія зменшується.
Але математика свідчить, що ентропія має збільшуватися.
То куди поділося це безладдя?
Стандартна відповідь пов’язана з чорними дірками та втратою інформації — теоріями, закладеними Джакобом Бекенштейном та Стівеном Хокінґом у 1970-х роках. Вони показали, що чорні діри мають ентропію і випромінюють термальне випромінювання. Це пов’язало геометрію простору-часу з теплом та інформацією. Це було початком шляху. Однак це не повністю пояснило виникнення складних структур, що підтримують життя у Всесвіті, який розширюється.
Саме тут у справу вступає робота Б’янкіні.
Як гравітація виникає з інформаційної напруги
Гравітація з ентропії (GfE) — це ще одна теорія гравітації. Це спроба вивести саму гравітацію із законів статистичної механіки.
Сприймайте гравітацію не як фундаментальну силу, подібну до електромагнетизму. Розглядайте її як побічний ефект. Як властивість.
У межах цієї теорії гравітація виникає з інформаційно-теоретичної напруги. Тут задіяно дві метрики:
- Фізична метрика простору-часу (як ми вимірюємо відстань).
- Метрика, що породжується полями матерії та кривизною (як матерія викривляє простір).
Теорія використовує показник, званий квантової геометричної відносної ентропією (QGRE), для розрахунку співвідношення між цими двома метриками. Коли кривизна мала, а енергія слабка, рівняння GfE зводяться до рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна. Ми бачимо очікуване.
Але за сильніших умов? Рівняння розходяться. Вони генерують член, що відповідає динамічній темній енергії. Це не константа, як у стандартних моделях. Вона змінюється з часом. Це робить теорію перевіреної. Якщо ми зможемо виміряти ці флуктуації, то зможемо підтвердити або спростувати модель.
Чому локальна ентропія падає, хоча загальна зростає
Ось ключовий інсайт, який дозволяє феномен.
Бьянкіні застосувала GfE до просторів часу типу Фрідмана-Робертсона-Уокера. Це математичні моделі, що описують розширюється і однорідний Всесвіт.
Результати показали поділ.
Загальна ентропія зростає. Це задовольняє другий закон. Всесвіт загалом справді стає більш невпорядкованим з погляду змісту інформації.
Проте ентропія на одиницю обсягу знижується.
У міру розширення Всесвіту фізичний елемент обсягу зростає. Загальна ентропія збільшується разом із. Але оскільки простір розтягується, кількість квантової геометричної відносної ентропії всередині будь-якого конкретного локального обсягу падає.
Цей поділ вкрай важливий. Воно означає, що локальні системи можуть ставати організованішими — формуватися зірки, еволюціонувати життя, — тоді як глобальна система стає ентропнішою. Ви можете мати порядок локально. Хаос глобально. Жоден закон не порушено.
У цій картині світу динамічна темна енергія діє як внутрішня енергія. QGRE виступає у ролі локальної ентропії. Ефективна температура і тиск природно випливають із квантового стану. Гравітація по суті є термічною. Це теплоdeath (термічна смерть) Всесвіту, що розігрується в космічних масштабах.
Чи може це поєднати загальну теорію відносності та квантову механіку?
Ми поки що не знаємо, чи це правильно.
Концепція залишається теоретичною. Це лише початок. Але вона пропонує потенційний міст.
У фізиці існує проблема «розлучення». Загальна теорія відносності (гравітація, макроскопічні об’єкти) та квантова механіка (частки, мікроскопічні об’єкти) не ладнають. Вони розмовляють різними мовами. Вони ігнорують правила один одного.
GfE припускає, що вони весь цей час говорили однією мовою. Інформація. Термодинаміки.
Якщо гравітація виникає з мікроскопічних ступенів свободи геометрії простору-часу, то гравітація, термодинаміка та інформація фундаментально пов’язані. Це міг би пояснити, чому складність взагалі виникає.
«Ця робота показує, як теорія гравітації з ентропії може вирішити складне завдання за узгодженням другого початку термодинаміки з виникненням складності у Всесвіті». – Професор Джинестра Б’янкіні
Це сміливе твердження. Що гравітація не просто стягує об’єкти. Вона сортує інформацію. Вона керує теплом.
Наступний крок – спостереження. Член, що відповідає за динамічну темну енергію в GfE, передбачає певні відхилення від загальної теорії відносності в сильних полях або у великих масштабах. Астрономам слід шукати ці сигнали.
До того часу парадокс залишається. Але він виглядає вже не як глухий кут, а як карта.
Всесвіт не бореться з безладдям. Вона використовує його, щоб будувати себе.
