W naszym współczesnym rozumieniu fizyki istnieje rażąca sprzeczność.
Z jednej strony Wszechświat staje się coraz bardziej chaotyczny. Tego wymaga druga zasada termodynamiki. Całkowita entropia w układzie izolowanym musi wzrosnąć. Chaos musi zwyciężyć.
Z drugiej strony przestrzeń tworzy niesamowite struktury. Galaktyki. Gwiazdy. Planety. I siebie.
Jak porządek wyłania się z nieporządku? Wydawało się to niemożliwe. Przynajmniej tak myśleliśmy do tej pory.
Nowy artykuł opublikowany w czasopiśmie Physical Review D sugeruje, że ta tajemnica wcale nie jest sprzecznością. To jest problem perspektywy. Matematyczka z King’s College London, Ginestra Bianchini, użyła koncepcji znanej jako Grawitacja od entropii (GfE), aby pokazać, że chociaż ogólna entropia rośnie, entropia lokalna może w rzeczywistości spadać. Pozwala to na tworzenie złożonych struktur bez łamania praw fizyki.
Ta praca zmienia nasze rozumienie grawitacji, czasu i samej struktury czasoprzestrzeni.
Drugie prawo przeciwko kosmicznej złożoności
Einstein nie żartował, nazywając drugą zasadę termodynamiki podstawową zasadą natury. To proste: systemy zmierzają w kierunku chaosu. Ciepło się rozprzestrzenia. Lód topnieje.
Kosmolodzy od dziesięcioleci nie są w stanie zrozumieć tego problemu.
Wczesny Wszechświat był zupą o niskiej entropii. Było gładkie, gorące i pozbawione szczegółów. Przez miliardy lat ta jednorodność została zniszczona, zamieniając się w grudki materii. Pod wpływem grawitacji grudki te zapadły się, tworząc gwiazdy i galaktyki. Jest to wzrost organizacji. Entropia wydaje się spadać.
Ale matematyka mówi, że entropia musi wzrosnąć.
Gdzie więc podział się ten bałagan?
Standardowa odpowiedź dotyczy czarnych dziur i utraty informacji, teorii zapoczątkowanych przez Jacoba Bekensteina i Stephena Hawkinga w latach 70. XX wieku. Wykazali, że czarne dziury mają entropię i emitują promieniowanie cieplne. To powiązało geometrię czasoprzestrzeni z ciepłem i informacją. To był początek podróży. Nie wyjaśnia to jednak w pełni pojawienia się złożonych struktur podtrzymujących życie w rozszerzającym się Wszechświecie.
Tutaj w grę wchodzi twórczość Bianchiniego.
Jak grawitacja powstaje z napięcia informacyjnego
Grawitacja z entropii (GfE) to nie tylko kolejna teoria grawitacji. Jest to próba wyprowadzenia samej grawitacji z praw mechaniki statystycznej.
Pomyśl o grawitacji nie jako o podstawowej sile, takiej jak elektromagnetyzm. Potraktuj to jako skutek uboczny. Jako własność wschodząca.
W ramach tej teorii grawitacja wynika z napięcia informacyjno-teoretycznego. W grę wchodzą tu dwa mierniki:
- Fizyczna metryka czasoprzestrzeni (jak mierzymy odległość).
- Metryka generowana przez pola materii i krzywiznę (jak materia zagina przestrzeń).
Teoria wykorzystuje metrykę zwaną kwantowo-geometryczną entropią względną (QGRE) do obliczenia związku między tymi dwiema metrykami. Gdy krzywizna jest mała, a energia słaba, równania GfE sprowadzają się do równań ogólnej teorii względności Einsteina. Widzimy to, czego się spodziewaliśmy.
Ale w mocniejszych warunkach? Równania są rozbieżne. Generują termin odpowiadający dynamicznej ciemnej energii. Nie jest to wartość stała, jak w standardowych modelach. Zmienia się z biegiem czasu. Dzięki temu teoria jest możliwa do sprawdzenia. Jeśli potrafimy zmierzyć te wahania, możemy potwierdzić lub obalić model.
Dlaczego lokalna entropia maleje, chociaż ogólna entropia wzrasta
Oto kluczowy spostrzeżenie, które rozwiązuje ten paradoks.
Bianchini zastosował GfE do przestrzeni czasowych typu Friedman-Robertson-Walker. Są to modele matematyczne opisujące rozszerzający się i jednorodny Wszechświat.
Wyniki wykazały separację.
Całkowita entropia wzrasta. Jest to zgodne z drugim prawem. Wszechświat jako całość rzeczywiście staje się coraz bardziej nieuporządkowany pod względem zawartości informacyjnej.
Jednakże entropia na jednostkę objętości maleje.
W miarę rozszerzania się Wszechświata wzrasta fizyczny element objętości. Wraz z nim wzrasta entropia całkowita. Jednak w miarę rozciągania się przestrzeni wielkość względnej entropii geometrycznej kwantowej w dowolnej objętości lokalnej maleje.
Podział ten jest niezwykle ważny. Oznacza to, że systemy lokalne mogą stać się bardziej zorganizowane – powstają gwiazdy, ewoluuje życie – podczas gdy system globalny staje się bardziej entropiczny. Można zamówić lokalnie. Chaos na całym świecie. Żadne prawo nie zostało złamane.
W tym obrazie świata dynamiczna ciemna energia działa jak energia wewnętrzna. QGRE działa jako lokalna entropia. Efektywna temperatura i ciśnienie wynikają naturalnie ze stanu kwantowego. Grawitacja ma zasadniczo charakter termiczny. Jest to śmierć cieplna (śmierć termiczna) Wszechświata, rozgrywająca się na skalę kosmiczną.
Czy to może łączyć ogólną teorię względności i mechanikę kwantową?
Nie wiemy jeszcze, czy jest to prawidłowe.
Koncepcja pozostaje teoretyczna. To dopiero początek. Ale oferuje potencjalny pomost.
W fizyce istnieje problem „rozwodu”. Ogólna teoria względności (grawitacja, obiekty makroskopowe) i mechanika kwantowa (cząstki, obiekty mikroskopowe) nie idą ze sobą w parze. Mówią różnymi językami. Ignorują wzajemne zasady.
GfE zakłada, że przez cały czas mówili tym samym językiem. Informacja. Termodynamika.
Jeśli grawitacja wynika z mikroskopijnych stopni swobody w geometrii czasoprzestrzeni, wówczas grawitacja, termodynamika i informacja są ze sobą zasadniczo powiązane. To może wyjaśniać, dlaczego w ogóle pojawia się złożoność.
„Ta praca pokazuje, jak teoria grawitacji oparta na entropii może rozwiązać trudny problem pogodzenia drugiej zasady termodynamiki z pojawieniem się złożoności we Wszechświecie.” — Profesor Ginestra Bianchini
To odważne stwierdzenie. Ta grawitacja nie tylko przyciąga obiekty do siebie. Sortuje informacje. Kontroluje ciepło.
Następnym krokiem jest obserwacja. Dynamiczny termin ciemnej energii w GfE przewiduje pewne odchylenia od ogólnej teorii względności w silnych polach lub w dużych skalach. Astronomowie muszą szukać tych sygnałów.
Do tego czasu paradoks pozostaje. Ale to już nie wygląda jak ślepy zaułek, ale jak mapa.
Wszechświat nie zmaga się z nieporządkiem. Używa go do budowania siebie.
