Термодинамический анализ пространства-времени также указывает на неожиданную роль возникающей темной энергии и намекает на то, что сама гравитация может возникать в результате более глубоких информационных процессов. Источник: Shutterstock

В новом исследовании рассматривается вопрос о том, как можно примирить гравитацию с термодинамикой с помощью теории гравитации из энтропии.

Галактики, звезды, планеты и жизнь появились по мере расширения и усложнения Вселенной. Однако второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия изолированной системы со временем должна возрастать, что порождает фундаментальный вопрос: как растущая космическая организация может сосуществовать с законом, который обычно связывают с нарастанием беспорядка?

Эйнштейн, как известно, заявил, что «второй закон термодинамики занимает уникальное положение среди законов природы», выразив свою уверенность в том, что он является одним из самых фундаментальных и устойчивых принципов физики. Согласно второму закону, общая энтропия изолированной системы имеет тенденцию к увеличению с течением времени.

Таким образом, космология сталкивается с неразрешимой загадкой. Принято считать, что ранняя Вселенная возникла в состоянии с низкой энтропией, а затем перешла в состояние с более высокой энтропией. Однако за ту же самую историю материя сформировала все более сложные структуры, которые в конечном итоге привели к появлению галактик, звезд, планет и жизни. Вопрос о том, как возник этот порядок, в то время как энтропия продолжала расти, остается нерешенным.

Теория переосмысливает загадку энтропии

В статье, опубликованной в Physical Review D, Лондонский университет королевы Марии, профессор математики Джинестра Бьянкони рассматривает проблему с помощью теории гравитации из энтропии (GfE), квантовой теории гравитации, которая использует статистическую механику для вывода гравитации из микроскопических степеней свободы в геометрии пространства-времени.

Профессор Джинестра Бьянкони из Лондонского университета королевы Марии. Фото: Лондонский университет королевы Марии

Ее анализ термодинамического поведения теории показал, что общая энтропия Вселенной со временем увеличивается, в то время как энтропия на единицу объема уменьшается. Это различие оставляет место для новых объяснений того, как локально могут формироваться организованные структуры, даже если общая энтропия возрастает.

Идея о тесной связи гравитации и термодинамики была выдвинута Джейкобом Бекенштейном и Стивеном Хокингом в 1970-х годах. Их исследование показало, что черные дыры обладают энтропией и испускают тепловое излучение, что указывает на более глубокую взаимосвязь между пространством-временем, информацией и теплом.

Гравитация возникает из пространственно-временной информации

Теория гравитации из энтропии (Gravity from Entropy, GfE) описывает гравитацию как результат теоретико-информационного противоречия между физической метрикой пространства-времени и другой метрикой, создаваемой материальными полями и кривизной. Метрика — это математическая структура, используемая для описания расстояний и геометрии в пространстве-времени.

Эта интерпретация появляется в лагранжиане теории гравитации из энтропии через квантовую геометрическую относительную энтропию (Quantum Geometric Relative Entropy, QGRE), которая измеряет взаимосвязь между двумя метриками. При низких энергиях и слабой кривизне гравитационные уравнения этой теории сводятся к общей теории относительности. Однако при более жестких условиях они начинают отличаться.

За пределами этого слабого предела уравнения также генерируют динамический член, описывающий темную энергию. Поскольку этот член меняется со временем, он потенциально может давать результаты наблюдений, которые позволят физикам проверить эту теорию.

Расширение разделяет общую и локальную энтропию

Профессор Бьянкони исследовал термодинамику геометрической энтропии в космологических пространствах-временах Фридмана — Робертсона — Уокера — математических моделях, используемых для описания расширяющейся и в целом однородной Вселенной.

Результаты показывают, что локальные геометрические степени свободы подчиняются первому закону термодинамики. В рамках этого описания динамический член, описывающий тёмную энергию, выступает в роли внутренней энергии, а квантовая геометрическая относительная энтропия (КГОЭ) представляет собой локальную энтропию на единицу объёма. Эффективные формы температуры и давления также возникают естественным образом, что позволяет предположить, что квантовое состояние, лежащее в основе гравитационного фонового излучения, может иметь присущий ему тепловой характер.

Локальный элемент объема, определяемый физической метрикой, играет центральную роль. По мере того как космическое расширение увеличивает этот объем, общая энтропия возрастает, но количество квантового гравитационного фонового излучения в каждой единице объема уменьшается. Это разделение общей и локальной энтропии придает теории ее отличительные термодинамические свойства.

Возможный мост остается теоретической конструкцией

Согласно этой концепции, гравитация и пространство-время могут быть фундаментально связаны как с термодинамикой, так и с информацией. При дальнейшем развитии эта концепция может предложить новый способ изучения взаимосвязей между гравитацией, квантовой теорией, космологией и возникновением сложности.

Это предложение пока находится на ранней теоретической стадии, но профессор Бьянкони утверждает, что оно может помочь преодолеть давние разногласия между общей теорией относительности, термодинамикой, квантовой механикой и космологией.

Таким образом, «эта работа показывает, как теория гравитации из энтропии может помочь решить сложную задачу — примирить второй закон термодинамики с возникновением сложных структур в нашей Вселенной. Эти результаты могут открыть новые пути для исследования давней проблемы согласования основ космологической необратимости, возникновения сложных структур и, в конечном счете, жизни с фундаментальной гравитационной динамикой», — говорит профессор Бьянкони.