Es gibt einen eklatanten Widerspruch in unserem gegenwärtigen Verständnis der Physik.
Einerseits wird das Universum immer chaotischer. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik verlangt es. Die Gesamtentropie in einem isolierten System muss steigen. Das Chaos sollte siegen.
Andererseits baut der Kosmos unglaubliche Dinge auf. Galaxien. Sterne. Planeten. Du.
Wie entsteht aus Unordnung Struktur? Es sollte nicht möglich sein. Zumindest dachten wir das.
Ein neuer Artikel, der in Physical Review D veröffentlicht wurde, legt nahe, dass das Rätsel überhaupt kein Widerspruch ist. Es ist ein Perspektivproblem. Die Mathematikerin Ginestra Bianconi von der Queen Mary University of London hat ein System namens Gravity from Entropy angewendet, um zu zeigen, dass die Gesamtentropie zwar wächst, die lokale Entropie jedoch tatsächlich sinken kann. Dadurch können komplexe Strukturen entstehen, ohne gegen Gesetze zu verstoßen.
Es verändert unsere Sicht auf Schwerkraft, Zeit und das Gefüge der Raumzeit.
Das zweite Gesetz vs. kosmische Komplexität
Einstein hat nicht herumgespielt. Er bezeichnete den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik als das grundlegendste Prinzip der Natur. Es ist einfach. Systeme bewegen sich in Richtung Unordnung. Hitze breitet sich aus. Eis schmilzt.
Kosmologen sind seit Jahrzehnten damit beschäftigt.
Das frühe Universum war eine Suppe mit niedriger Entropie. Glatt. Heiß. Ohne Merkmale. Im Laufe von Milliarden von Jahren zerfiel diese Glätte in Materieklumpen. Diese Klumpen kollabierten unter der Schwerkraft und bildeten Sterne und Galaxien. Dies führt zu einer zunehmenden Organisation. Es sieht so aus, als ob die Entropie abnimmt.
Aber die Mathematik besagt, dass die Entropie zunehmen muss.
Wo ist die Störung geblieben?
Die Standardantwort beinhaltet Schwarze Löcher und Informationsverlust, Theorien, die in den 1970er Jahren von Jacob Bekenstein und Stephen Hawking entwickelt wurden. Sie zeigten, dass Schwarze Löcher Entropie haben. Sie geben Wärmestrahlung ab. Dadurch wurde die Raumzeitgeometrie mit Wärme und Information verknüpft. Es war ein Anfang. Aber es konnte die Entstehung komplexer, lebenserhaltender Strukturen in einem expandierenden Universum nicht vollständig erklären.
Hier kommt Bianconis Arbeit ins Spiel.
Wie aus Informationsspannung Schwerkraft entsteht
Gravitation aus Entropie (GfE) ist nicht nur eine weitere Gravitationstheorie. Es ist ein Versuch, die Schwerkraft selbst aus der statistischen Mechanik abzuleiten.
Stellen Sie sich die Schwerkraft nicht als eine grundlegende Kraft vor, wie etwa den Elektromagnetismus. Betrachten Sie es als Nebeneffekt. Eine aufstrebende Immobilie.
In diesem Rahmen entsteht die Schwerkraft aus einer informationstheoretischen Spannung. Hier spielen zwei Kennzahlen eine Rolle:
- Die physikalische Raumzeitmetrik (wie wir Entfernungen messen).
- Eine durch Materiefelder und Krümmung erzeugte Metrik (wie Materie den Raum verzerrt).
Die Theorie verwendet ein Maß namens Quantengeometrische relative Entropie (QGRE), um die Beziehung zwischen diesen beiden Metriken zu berechnen. Wenn die Krümmung gering und die Energie schwach ist, reduzieren sich GfE-Gleichungen auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Wir sehen, was wir erwarten.
Aber unter stärkeren Bedingungen? Die Gleichungen gehen auseinander. Sie erzeugen einen Begriff der dynamischen Dunklen Energie. Dies ist kein konstanter Wert wie bei Standardmodellen. Es verändert sich im Laufe der Zeit. Dies macht die Theorie überprüfbar. Wenn wir diese Schwankung messen können, können wir das Modell möglicherweise beweisen oder widerlegen.
Warum die lokale Entropie sinkt, während die Gesamtentropie steigt
Hier ist die entscheidende Erkenntnis, die das Paradox auflöst.
Bianconi wandte GfE auf Friedmann-Robertson-Walker -Raumzeiten an. Dies sind die mathematischen Modelle, die ein expandierendes, einheitliches Universum beschreiben.
Die Ergebnisse zeigten eine Spaltung.
Die Gesamtentropie nimmt zu. Dies erfüllt den zweiten Hauptsatz. Das Universum als Ganzes wird hinsichtlich seines Informationsgehalts tatsächlich immer ungeordneter.
Allerdings nimmt die Entropie pro Volumeneinheit ab.
Wenn sich das Universum ausdehnt, wächst das physikalische Volumenelement. Damit steigt auch die Gesamtentropie. Da sich der Raum jedoch ausdehnt, sinkt die Menge der quantengeometrischen relativen Entropie innerhalb eines bestimmten lokalen Volumens.
Diese Trennung ist entscheidend. Das bedeutet, dass lokale Systeme besser organisiert werden können – Sterne entstehen, Leben sich entwickelt –, während das globale System entropischer wird. Sie können vor Ort bestellen. Chaos weltweit. Kein Gesetz gebrochen.
Aus dieser Sicht fungiert die dynamische dunkle Energie als innere Energie. QGRE fungiert als lokale Entropie. Effektive Temperatur und Druck ergeben sich auf natürliche Weise aus dem Quantenzustand. Die Schwerkraft ist in gewisser Weise thermisch. Es ist der Hitzetod des Universums, der sich auf kosmischer Ebene abspielt.
Kann dies eine Brücke zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik schlagen?
Wir wissen noch nicht, ob das richtig ist.
Der Rahmen bleibt theoretisch. Es ist noch früh. Aber es bietet eine potenzielle Brücke.
Die Physik hat ein Scheidungsproblem. Allgemeine Relativitätstheorie (Schwerkraft, große Dinge) und Quantenmechanik (Teilchen, kleine Dinge) vertragen sich nicht. Sie sprechen verschiedene Sprachen. Sie ignorieren die Regeln des anderen.
GfE vermutet, dass sie möglicherweise die ganze Zeit dieselbe Sprache sprechen. Information. Thermodynamik.
Wenn die Schwerkraft aus den mikroskopischen Freiheitsgraden der Raumzeitgeometrie hervorgeht, dann sind Schwerkraft, Thermodynamik und Information grundsätzlich miteinander verbunden. Dies könnte erklären, warum Komplexität überhaupt entsteht.
„Diese Arbeit zeigt, wie die Schwerkraft aus der Entropietheorie die anspruchsvolle Frage angehen kann, das zweite Prinzip der Thermodynamik mit der Entstehung von Komplexität in unserem Universum in Einklang zu bringen.“ — Professorin Ginestra Bianconi
Das ist eine kühne Behauptung. Diese Schwerkraft zieht nicht nur die Dinge zusammen. Es geht darum, Informationen zu sortieren. Es geht um die Bewältigung der Hitze.
Der nächste Schritt ist die Beobachtung. Der Begriff der dynamischen Dunklen Energie in GfE sagt spezifische Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie in starken Feldern oder auf großen Skalen voraus. Astronomen müssen nach diesen Signalen suchen.
Bis dahin bleibt das Paradox bestehen. Aber es sieht weniger wie eine Sackgasse aus, sondern eher wie eine Karte.
Das Universum kämpft nicht gegen Unordnung. Es nutzt es, um sich selbst aufzubauen.
