V našem moderním chápání fyziky je do očí bijící rozpor.
Na jedné straně je Vesmír stále více chaotičtější. To vyžaduje druhý termodynamický zákon. Celková entropie v izolované soustavě se musí zvýšit. Chaos musí zvítězit.
Na druhou stranu prostor vytváří neuvěřitelné struktury. Galaxie. hvězdy. Planety. A sebe.
Jak z nepořádku vzniká řád? Zdálo se to nemožné. Alespoň jsme si to doteď mysleli.
Nový článek publikovaný v časopise Physical Review D naznačuje, že tato záhada není vůbec rozpor. To je problém perspektivy. Matematik z King’s College London Ginestra Bianchini použil koncept známý jako Gravity from Entropy (GfE), aby ukázal, že zatímco celková entropie roste, místní entropie může ve skutečnosti klesat. To umožňuje vytvářet složité struktury bez porušení jakýchkoli fyzikálních zákonů.
Tato práce mění naše chápání gravitace, času a samotné struktury časoprostoru.
Druhý zákon proti kosmické složitosti
Einstein si nedělal legraci, když nazval druhý termodynamický zákon základním principem přírody. Je to jednoduché: systémy směřují k nepořádku. Teplo se šíří. Led taje.
Kosmologové nebyli schopni tuto problematiku po celá desetiletí pochopit.
Raný vesmír byl polévka s nízkou entropií. Bylo to hladké, horké a bez detailů. Během miliard let byla tato homogenita zničena a proměnila se v shluky hmoty. Pod vlivem gravitace se tyto shluky zhroutily a vytvořily hvězdy a galaxie. Jedná se o zvýšení organizace. Zdá se, že entropie klesá.
Ale matematika říká, že entropie se musí zvýšit.
Kam se tedy poděl tento nepořádek?
Standardní odpověď zahrnuje černé díry a ztrátu informací, teorie propagované Jacobem Bekensteinem a Stephenem Hawkingem v 70. letech. Ukázali, že černé díry mají entropii a vyzařují tepelné záření. To propojilo geometrii časoprostoru s teplem a informacemi. To byl začátek cesty. To však plně nevysvětlovalo vznik složitých struktur podporujících život v rozpínajícím se vesmíru.
Zde vstupuje do hry Bianchiniho práce.
Jak gravitace vzniká z informačního napětí
Gravity from Entropy (GfE) není jen další teorie gravitace. Jde o pokus odvodit samotnou gravitaci ze zákonů statistické mechaniky.
Myslete na gravitaci ne jako na základní sílu, jako je elektromagnetismus. Berte to jako vedlejší účinek. Jako nouzový majetek.
V rámci této teorie vzniká gravitace z informačně-teoretického napětí. Jsou zde zahrnuty dvě metriky:
- Fyzikální metrika časoprostoru (jak měříme vzdálenost).
- Metrika generovaná poli hmoty a zakřivení (jak hmota ohýbá prostor).
Teorie používá metriku zvanou kvantová geometrická relativní entropie (QGRE) k výpočtu vztahu mezi těmito dvěma metrikami. Když je zakřivení malé a energie je slabá, rovnice GfE se redukují na rovnice Einsteinovy obecné teorie relativity. Vidíme, co jsme očekávali.
Ale v silnějších podmínkách? Rovnice se rozcházejí. Vytvářejí termín odpovídající dynamické temné energii. To není konstanta, jako u standardních modelů. Časem se to mění. Díky tomu je teorie testovatelná. Pokud dokážeme změřit tyto výkyvy, můžeme model potvrdit nebo vyvrátit.
Proč lokální entropie klesá, ačkoli celková entropie roste
Zde je klíčový poznatek, který řeší tento paradox.
Bianchini aplikoval GfE na časové prostory typu Friedman-Robertson-Walker. Jedná se o matematické modely, které popisují rozpínající se a homogenní vesmír.
Výsledky ukázaly separaci.
Celková entropie se zvyšuje. To splňuje druhý zákon. Vesmír jako celek je skutečně stále více neuspořádaný, pokud jde o obsah informací.
entropie na jednotku objemu však klesá.
Jak se vesmír rozpíná, fyzický prvek objemu roste. Celková entropie s tím roste. Ale jak se prostor natahuje, množství kvantové geometrické relativní entropie v rámci jakéhokoli daného místního objemu klesá.
Toto rozdělení je nesmírně důležité. Znamená to, že místní systémy se mohou stát více organizovanými – vznikají hvězdy, život se vyvíjí – zatímco globální systém se stává entropičtějším. Můžete si objednat lokálně. Chaos globálně. Žádné zákony nebyly porušeny.
V tomto obrazu světa dynamická temná energie působí jako vnitřní energie. QGRE funguje jako lokální entropie. Efektivní teplota a tlak přirozeně vyplývají z kvantového stavu. Gravitace je v podstatě tepelná. Toto je tepelná smrt (tepelná smrt) vesmíru, odehrávající se v kosmickém měřítku.
Mohlo by to propojit obecnou relativitu a kvantovou mechaniku?
Zatím nevíme, jestli je to správně.
Koncept zůstává teoretický. To je jen začátek. Nabízí ale potenciální most.
Ve fyzice je problém „rozvodu“. Obecná teorie relativity (gravitace, makroskopické objekty) a kvantová mechanika (částice, mikroskopické objekty) spolu nejdou. Mluví různými jazyky. Ignorují navzájem svá pravidla.
GfE předpokládá, že celou dobu mluvili stejným jazykem. Informace. Termodynamika.
Pokud gravitace vzniká z mikroskopických stupňů volnosti v geometrii časoprostoru, pak spolu gravitace, termodynamika a informace zásadně souvisí. To by mohlo vysvětlovat, proč na prvním místě dochází ke složitosti.
“Tato práce ukazuje, jak může teorie gravitace z entropie vyřešit obtížný problém sladění druhého termodynamického zákona se vznikem složitosti ve vesmíru.” — Profesor Ginestra Bianchini
To je odvážné tvrzení. Tato gravitace nestahuje pouze předměty k sobě. Třídí informace. Řídí teplo.
Dalším krokem je pozorování. Výraz dynamické temné energie v GfE předpovídá určité odchylky od obecné teorie relativity v silných polích nebo ve velkých měřítcích. Astronomové musí tyto signály hledat.
Do té doby paradox zůstává. Už to ale nevypadá jako slepá ulička, ale jako mapa.
Vesmír nebojuje s nepořádkem. Používá to k budování sebe sama.
