C’è una contraddizione evidente nella nostra attuale comprensione della fisica.
Da un lato, l’Universo sta diventando sempre più disordinato. Lo richiede la seconda legge della termodinamica. L’entropia totale in un sistema isolato deve aumentare. Il caos dovrebbe vincere.
D’altronde il cosmo sta costruendo cose incredibili. Galassie. Stelle. Pianeti. Voi.
Come emerge la struttura dal disordine? Non dovrebbe essere possibile. O almeno così pensavamo.
Un nuovo articolo pubblicato su Physical Review D suggerisce che il puzzle non è affatto una contraddizione. È un problema di prospettiva. La matematica della Queen Mary University di Londra Ginestra Bianconi ha applicato un quadro chiamato Gravità dall’entropia per dimostrare che mentre l’entropia totale cresce, l’entropia locale può effettivamente diminuire. Ciò consente la formazione di strutture complesse senza infrangere alcuna legge.
Cambia il modo in cui guardiamo alla gravità, al tempo e al tessuto stesso dello spaziotempo.
La Seconda Legge contro la Complessità Cosmica
Einstein non scherzava. Chiamò la seconda legge della termodinamica il principio più fondamentale della natura. È semplice. I sistemi si muovono verso il disordine. Il calore si diffonde. Il ghiaccio si scioglie.
I cosmologi sono rimasti bloccati su questo argomento per decenni.
L’Universo primordiale era una zuppa a bassa entropia. Liscio. Caldo. Senza caratteristiche. Nel corso di miliardi di anni, quella levigatezza si è scomposta in grumi di materia. Questi ammassi collassarono sotto la gravità per formare stelle e galassie. Ciò significa aumentare l’organizzazione. Sembra che l’entropia stia diminuendo.
Ma i calcoli dicono che l’entropia deve aumentare.
Allora dov’è finito il disturbo?
La risposta standard coinvolge i buchi neri e la perdita di informazioni, teorie introdotte da Jacob Bekenstein e Stephen Hawking negli anni ’70**. Hanno dimostrato che i buchi neri hanno entropia. Emettono radiazioni termiche. Ciò collegava la geometria dello spaziotempo al calore e all’informazione. È stato un inizio. Ma non spiegava completamente l’emergere di strutture complesse che supportano la vita in un universo in espansione.
È qui che entra in gioco il lavoro di Bianconi.
Come la gravità emerge dalla tensione informativa
Gravità dall’entropia (GfE) non è solo un’altra teoria della gravità. È un tentativo di derivare la gravità stessa dalla meccanica statistica.
Pensa alla gravità non come a una forza fondamentale, come l’elettromagnetismo. Consideralo un effetto collaterale. Una proprietà emergente.
In questo quadro, la gravità nasce da una tensione teorico-informativa. Ci sono due parametri in gioco qui:
- La metrica fisica dello spaziotempo (come misuriamo la distanza).
- Una metrica prodotta dai campi della materia e dalla curvatura (come la materia deforma lo spazio).
La teoria utilizza una misura chiamata Entropia relativa geometrica quantistica (QGRE) per calcolare la relazione tra questi due parametri. Quando la curvatura è bassa e l’energia è debole, le equazioni GfE si riducono alla Relatività Generale di Einstein. Vediamo cosa ci aspettiamo.
Ma in condizioni più forti? Le equazioni divergono. Generano un termine di energia oscura dinamica. Questo non è un valore costante come nei modelli standard. Cambia nel tempo. Ciò rende la teoria verificabile. Se riuscissimo a misurare questa fluttuazione, potremmo provare o confutare il modello.
Perché l’entropia locale diminuisce mentre l’entropia totale aumenta
Ecco l’intuizione chiave che risolve il paradosso.
Bianconi ha applicato GfE agli spaziotempi Friedmann–Robertson–Walker. Questi sono i modelli matematici che descrivono un Universo uniforme ed in espansione.
I risultati hanno mostrato una divisione.
L’entropia totale aumenta. Ciò soddisfa la seconda legge. L’Universo nel suo complesso sta infatti diventando sempre più disordinato in termini di contenuto informativo.
Tuttavia, l’entropia per unità di volume diminuisce.
Man mano che l’Universo si espande, l’elemento volume fisico cresce. L’entropia totale aumenta con esso. Ma poiché lo spazio si sta allungando, la quantità di entropia relativa geometrica quantistica all’interno di qualsiasi volume locale specifico diminuisce.
Questa separazione è cruciale. Ciò significa che i sistemi locali possono diventare più organizzati – la formazione delle stelle, l’evoluzione della vita – mentre il sistema globale diventa più entropico. Puoi ordinare localmente. Caos a livello globale. Nessuna legge infranta.
In questa visione, l’energia oscura dinamica agisce come energia interna. QGRE agisce come entropia locale. La temperatura e la pressione effettive emergono naturalmente dallo stato quantistico. La gravità, in un certo senso, è termica. È la morte termica dell’universo che si manifesta su scala cosmica.
Può questo collegare la relatività generale e la meccanica quantistica?
Non sappiamo se questo sia ancora giusto.
Il quadro resta teorico. Sono i primi giorni. Ma offre un potenziale ponte.
La fisica ha un problema di divorzio. La relatività generale (gravità, grandi cose) e la meccanica quantistica (particelle, piccole cose) non vanno d’accordo. Parlano lingue diverse. Ignorano le reciproche regole.
GfE suggerisce che potrebbero parlare sempre la stessa lingua. Informazioni. Termodinamica.
Se la gravità emerge dai microscopici gradi di libertà della geometria dello spaziotempo, allora gravità, termodinamica e informazione sono fondamentalmente connesse. Ciò potrebbe spiegare perché emerge la complessità.
“Questo lavoro rivela come la teoria della gravità derivante dall’entropia può affrontare la difficile questione di conciliare il secondo principio della termodinamica con l’emergere della complessità nel nostro universo.” — Professoressa Ginestra Bianconi
È un’affermazione audace. Quella gravità non sta solo mettendo insieme le cose. Sta ordinando le informazioni. Sta gestendo il caldo.
Il passo successivo è l’osservazione. Il termine dinamico di energia oscura in GfE prevede deviazioni specifiche dalla Relatività Generale in campi forti o su larga scala. Gli astronomi devono cercare quei segnali.
Fino ad allora, il paradosso resta. Ma sembra meno un vicolo cieco e più una mappa.
L’Universo non sta combattendo il disordine. Lo sta usando per costruire se stesso.
