Er schuilt een flagrante tegenstrijdigheid in ons huidige begrip van de natuurkunde.
Aan de ene kant wordt het heelal rommeliger. De tweede wet van de thermodynamica vereist dit. De totale entropie in een geïsoleerd systeem moet stijgen. Chaos moet winnen.
Aan de andere kant bouwt de kosmos ongelooflijke dingen. Sterrenstelsels. Sterren. Planeten. Jij.
Hoe ontstaat structuur uit wanorde? Het zou niet mogelijk moeten zijn. Of dat dachten we toch.
Een nieuw artikel gepubliceerd in Physical Review D suggereert dat de puzzel helemaal geen tegenstrijdigheid is. Het is een perspectiefprobleem. De wiskundige Ginestra Bianconi van de Queen Mary University of London heeft een raamwerk met de naam Gravity from Entropy toegepast om aan te tonen dat terwijl de totale entropie groeit, de lokale entropie feitelijk kan dalen. Hierdoor kunnen complexe structuren ontstaan zonder dat er wetten worden overtreden.
Het verandert de manier waarop we naar de zwaartekracht, de tijd en de structuur van de ruimtetijd kijken.
De tweede wet versus kosmische complexiteit
Einstein heeft niet geknoeid. Hij noemde de tweede wet van de thermodynamica het meest fundamentele principe in de natuur. Het is eenvoudig. Systemen evolueren richting wanorde. Warmte verspreidt zich. IJs smelt.
Kosmologen zitten hier al tientallen jaren aan vast.
Het vroege heelal was een soep met weinig entropie. Zacht. Heet. Kenmerkloos. Gedurende miljarden jaren viel die gladheid uiteen in klontjes materie. Deze klonten stortten onder invloed van de zwaartekracht in en vormden sterren en sterrenstelsels. Dit zorgt voor een toenemende organisatie. Het lijkt erop dat de entropie afneemt.
Maar de wiskunde zegt dat de entropie moet toenemen.
Dus waar is de stoornis gebleven?
Het standaardantwoord betreft zwarte gaten en informatieverlies, theorieën ontwikkeld door Jacob Bekenstein en Stephen Hawking in de jaren zeventig**. Ze toonden aan dat zwarte gaten entropie hebben. Ze zenden thermische straling uit. Deze koppelde ruimtetijdgeometrie aan warmte en informatie. Het was een begin. Maar het kon de opkomst van complexe, levensondersteunende structuren in een uitdijend heelal niet volledig verklaren.
Dat is waar het werk van Bianconi om de hoek komt kijken.
Hoe de zwaartekracht voortkomt uit informatiespanning
Gravity from Entropy (GfE) is niet zomaar een zwaartekrachttheorie. Het is een poging om de zwaartekracht zelf af te leiden uit de statistische mechanica.
Beschouw de zwaartekracht niet als een fundamentele kracht, zoals elektromagnetisme. Zie het als een bijwerking. Een opkomende eigenschap.
In dit raamwerk komt de zwaartekracht voort uit een informatietheoretische spanning. Er zijn hier twee statistieken in het spel:
- De fysieke ruimtetijdmetriek (hoe we afstand meten).
- Een metriek geproduceerd door materievelden en kromming (hoe materie de ruimte vervormt).
De theorie gebruikt een maatstaf genaamd Quantum Geometrische Relatieve Entropie (QGRE) om de relatie tussen deze twee metrieken te berekenen. Wanneer de kromming laag is en de energie zwak, worden GfE-vergelijkingen gereduceerd tot de algemene relativiteitstheorie van Einstein. We zien wat we verwachten.
Maar onder sterkere omstandigheden? De vergelijkingen lopen uiteen. Ze genereren een term voor dynamische donkere energie. Dit is geen constante waarde zoals in standaardmodellen. Het verandert in de loop van de tijd. Dit maakt de theorie toetsbaar. Als we deze fluctuatie kunnen meten, kunnen we het model bewijzen of weerleggen.
Waarom de lokale entropie daalt terwijl de totale entropie stijgt
Hier is het belangrijkste inzicht dat de paradox oplost.
Bianconi paste GfE toe op Friedmann-Robertson-Walker ruimtetijden. Dit zijn de wiskundige modellen die een uitdijend, uniform heelal beschrijven.
De resultaten lieten een splitsing zien.
De totale entropie neemt toe. Dit voldoet aan de tweede wet. Het heelal als geheel wordt inderdaad steeds wanordelijker in termen van informatie-inhoud.
Entropie per volume-eenheid neemt echter af.
Naarmate het heelal uitdijt, groeit het fysieke volume-element. De totale entropie stijgt mee. Maar omdat de ruimte zich uitbreidt, daalt de hoeveelheid Quantum Geometrische Relatieve Entropie binnen een specifiek lokaal volume.
Deze scheiding is cruciaal. Het betekent dat lokale systemen beter georganiseerd kunnen worden – sterren vormen, leven evolueert – terwijl het mondiale systeem meer entropisch wordt. U kunt ter plaatse bestellen. Chaos wereldwijd. Geen wet overtreden.
In deze visie fungeert de dynamische donkere energie als interne energie. QGRE fungeert als lokale entropie. Effectieve temperatuur en druk komen op natuurlijke wijze voort uit de kwantumtoestand. Zwaartekracht is in zekere zin thermisch. Het is de hittedood van het universum die zich op kosmische schaal afspeelt.
Kan dit een brug slaan tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica?
We weten nog niet of dit klopt.
Het raamwerk blijft theoretisch. Het zijn vroege dagen. Maar het biedt een potentiële brug.
De natuurkunde heeft een echtscheidingsprobleem. De algemene relativiteitstheorie (zwaartekracht, grote dingen) en de kwantummechanica (deeltjes, kleine dingen) gaan niet samen. Ze spreken verschillende talen. Ze negeren elkaars regels.
GfE suggereert dat ze misschien al die tijd dezelfde taal spreken. Informatie. Thermodynamica.
Als de zwaartekracht voortkomt uit de microscopische vrijheidsgraden van de ruimtetijdgeometrie, dan zijn zwaartekracht, thermodynamica en informatie fundamenteel met elkaar verbonden. Dit zou kunnen verklaren waarom complexiteit überhaupt ontstaat.
“Dit werk laat zien hoe de zwaartekracht uit de entropietheorie de uitdagende vraag kan aanpakken om het tweede principe van de thermodynamica te verzoenen met de opkomst van complexiteit in ons universum.” — Professor Ginestra Bianconi
Het is een gewaagde bewering. Die zwaartekracht trekt niet alleen dingen samen. Het is informatie sorteren. Het beheert de hitte.
De volgende stap is observatie. De term dynamische donkere energie in GfE voorspelt specifieke afwijkingen van de algemene relativiteitstheorie in sterke velden of op grote schaal. Astronomen moeten naar die signalen zoeken.
Tot die tijd blijft de paradox bestaan. Maar het lijkt minder op een doodlopende weg en meer op een kaart.
Het universum vecht niet tegen wanorde. Het gebruikt het om zichzelf te bouwen.
