В нашем современном понимании физики существует бросающееся в глаза противоречие.
С одной стороны, Вселенная становится все более хаотичной. Так требует второй закон термодинамики. Полная энтропия в изолированной системе должна возрастать. Хаос должен одержать верх.
С другой стороны, космос создает невероятные структуры. Галактики. Звезды. Планеты. И вас самих.
Как порядок возникает из беспорядка? Это казалось невозможным. По крайней мере, так мы думали до сих пор.
В новой статье, опубликованной в журнале Physical Review D, предлагается взгляд, согласно которому эта загадка вовсе не является противоречием. Это проблема перспективы. Математик из Королевского колледжа Лондона Джинестра Бьянкини применила концепцию, известную как гравитация из энтропии (Gravity from Entropy, GfE), чтобы показать, что хотя общая энтропия растет, локальная энтропия может действительно снижаться. Это позволяет сложным структурам формироваться без нарушения каких-либо законов физики.
Эта работа меняет наше представление о гравитации, времени и самой ткани пространства-времени.
Второй закон против космической сложности
Эйнштейн не шутил, называя второй закон термодинамики фундаментальным принципом природы. Он прост: системы движутся к беспорядку. Тепло распространяется. Лед тает.
Космологи десятилетиями не могли разобраться в этом вопросе.
Ранняя Вселенная была «супом» с низкой энтропией. Она была гладкой, горячей и лишена деталей. На протяжении миллиардов лет эта однородность разрушалась, превращаясь в сгустки материи. Под действием гравитации эти сгустки схлопывались, образуя звезды и галактики. Это увеличение организованности. Кажется, что энтропия уменьшается.
Но математика гласит, что энтропия должна увеличиваться.
Так куда же девался этот беспорядок?
Стандартный ответ связан с черными дырами и потерей информации — теориями, заложенными Джакобом Бекенштейном и Стивеном Хокингом в 1970-х годах. Они показали, что черные дыры обладают энтропией и излучают термальное излучение. Это связало геометрию пространства-времени с теплом и информацией. Это было началом пути. Однако это не полностью объяснило возникновение сложных, поддерживающих жизнь структур во Вселенной, которая расширяется.
Именно здесь в дело вступает работа Бьянкини.
Как гравитация возникает из информационного напряжения
Гравитация из энтропии (GfE) — это не просто еще одна теория гравитации. Это попытка вывести саму гравитацию из законов статистической механики.
Воспринимайте гравитацию не как фундаментальную силу, подобную электромагнетизму. Рассматривайте ее как побочный эффект. Как возникающее свойство.
В рамках этой теории гравитация возникает из информационно-теоретического напряжения. Здесь задействованы две метрики:
- Физическая метрика пространства-времени (как мы измеряем расстояние).
- Метрика, порождаемая полями материи и кривизной (как материя искривляет пространство).
Теория использует показатель, называемый квантовой геометрической относительной энтропией (QGRE), для расчета соотношения между этими двумя метриками. Когда кривизна мала, а энергия слаба, уравнения GfE сводятся к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна. Мы видим ожидаемое.
Но в более сильных условиях? Уравнения расходятся. Они генерируют член, соответствующий динамической темной энергии. Это не константа, как в стандартных моделях. Она меняется со временем. Это делает теорию проверяемой. Если мы сможем измерить эти флуктуации, мы сможем подтвердить или опровергнуть модель.
Почему локальная энтропия падает, хотя общая возрастает
Вот ключевой инсайт, который разрешает парадокс.
Бьянкини применила GfE к пространствам времени типа Фридмана-Робертсона-Уокера. Это математические модели, описывающие расширяющуюся и однородную Вселенную.
Результаты показали разделение.
Общая энтропия возрастает. Это удовлетворяет второму закону. Вселенная в целом действительно становится более неупорядоченной с точки зрения содержания информации.
Однако энтропия на единицу объема снижается.
По мере расширения Вселенной физический элемент объема растет. Общая энтропия увеличивается вместе с ним. Но поскольку пространство растягивается, количество квантовой геометрической относительной энтропии внутри любого конкретного локального объема падает.
Это разделение крайне важно. Оно означает, что локальные системы могут становиться более организованными — формироваться звезды, эволюционировать жизнь, — в то время как глобальная система становится более энтропной. Вы можете иметь порядок локально. Хаос глобально. Ни один закон не нарушен.
В этой картине мира динамическая темная энергия действует как внутренняя энергия. QGRE выступает в роли локальной энтропии. Эффективная температура и давление естественно вытекают из квантового состояния. Гравитация, по сути, является термической. Это теплоdeath (термическая смерть) Вселенной, разыгрывающаяся в космических масштабах.
Может ли это соединить общую теорию относительности и квантовую механику?
Мы пока не знаем, правильно ли это.
Концепция остается теоретической. Это только начало. Но она предлагает потенциальный мост.
В физике существует проблема «развода». Общая теория относительности (гравитация, макроскопические объекты) и квантовая механика (частицы, микроскопические объекты) не ладят. Они говорят на разных языках. Они игнорируют правила друг друга.
GfE предполагает, что они все это время говорили на одном языке. Информации. Термодинамики.
Если гравитация возникает из микроскопических степеней свободы геометрии пространства-времени, то гравитация, термодинамика и информация фундаментально связаны. Это могло бы объяснить, почему сложность вообще возникает.
«Эта работа показывает, как теория гравитации из энтропии может решить сложную задачу по согласованию второго начала термодинамики с возникновением сложности во Вселенной». — Профессор Джинестра Бьянкини
Это смелое утверждение. Что гравитация не просто стягивает объекты. Она сортирует информацию. Она управляет теплом.
Следующий шаг — наблюдение. Член, отвечающий за динамическую темную энергию в GfE, предсказывает определенные отклонения от общей теории относительности в сильных полях или в больших масштабах. Астрономам нужно искать эти сигналы.
До тех пор парадокс остается. Но он выглядит уже не как тупик, а как карта.
Вселенная не борется с беспорядком. Она использует его, чтобы строить саму себя.
