Новая теория квантовой гравитации связывает энтропию, темную энергию и жизнь

Новая модель квантовой гравитации предполагает, что Вселенная может становиться более сложной, в то время как её общая энтропия продолжает расти. По мере расширения пространства энтропия может распределяться, создавая локальные возможности для формирования галактик, планет и даже жизни. Credit: AI/ScienceDaily.com

Новое теоретическое исследование предлагает возможный способ решения одной из самых сложных загадок современной физики: как Вселенная смогла породить галактики, звезды, планеты и жизнь, продолжая при этом следовать второму закону термодинамики?

Исследование провела профессор Джинестра Бьянкони, математик из Лондонского университета королевы Марии. Её работа изучает, может ли теория, известная как «Гравитация из энтропии» (Gravity from Entropy, GfE), помочь объяснить, как возникает космическая сложность, даже когда общая энтропия Вселенной увеличивается.

Загадка энтропии Вселенной

Эйнштейн, как известно, заявил, что «второй закон термодинамики занимает уникальное положение среди законов природы», отражая его мнение о том, что это один из самых надежных и фундаментальных принципов физики.

Второй закон гласит, что общая энтропия изолированной системы обычно увеличивается со временем. Энтропию часто описывают как меру беспорядка, хотя более точно она отражает то, как энергия и информация могут распределяться внутри системы.

Этот принцип создает серьезную проблему для космологии. Ученые обычно считают, что ранняя Вселенная находилась в состоянии низкой энтропии и неуклонно двигалась к более высокой энтропии. В то же время материя самоорганизовалась во все более сложные структуры, от галактик и звезд до планет и живых организмов.

Объяснение того, как эта растущая сложность может сосуществовать с непрерывным ростом энтропии, остается нерешенной проблемой.

Новый взгляд через «Гравитацию из энтропии»

В статье, опубликованной в журнале Physical Review D, Бьянкони исследует эту загадку, используя теорию GfE — предложенный подход к квантовой гравитации.

Теория использует идеи статистической механики для описания гравитации как явления, возникающего из микроскопических свойств геометрии пространства-времени. Вместо того чтобы рассматривать гравитацию только как фундаментальную силу или как искривление пространства-времени, GfE связывает её с информацией и энтропией на квантовом уровне.

Анализ Бьянкони выявил потенциально важное различие. Хотя общая энтропия Вселенной увеличивается со временем, количество энтропии на единицу объема уменьшается по мере расширения Вселенной.

Такое поведение может предложить новый способ понять, как организованные структуры могут развиваться локально, не нарушая второго закона термодинамики.

Черные дыры: связь гравитации и тепла

Идея о глубокой связи гравитации и термодинамики восходит к новаторским работам Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга в 1970-х годах.

Их открытия показали, что черные дыры обладают энтропией и могут испускать тепловое излучение. Эти результаты изменили научное понимание черных дыр и указали на гораздо более глубокую связь между пространством-временем, информацией, гравитацией и теплом.

Теория GfE развивает эту более широкую взаимосвязь.

Согласно GfE, гравитация возникает из информационного напряжения между фактической метрикой пространства-времени и другой метрикой, создаваемой полями материи и кривизной пространства-времени. Метрика — это математическая структура, используемая для описания расстояний и геометрии в пространстве-времени.

Эта интерпретация выражается через лагранжиан GfE, который определяется квантовой геометрической относительной энтропией (QGRE) между двумя метриками.

Возможная связь с темной энергией

При низких энергиях и в условиях слабой кривизны пространства-времени уравнения GfE воспроизводят общую теорию относительности. Однако в более экстремальных условиях предсказания начинают различаться.

За пределами этого слабого предела уравнения GfE дают изменяющийся вклад темной энергии. Поскольку этот член динамически эволюционирует, он потенциально может генерировать предсказания, которые исследователи когда-нибудь смогут проверить с помощью космологических наблюдений.

Исследование изучает эти термодинамические эффекты в космологических пространствах-временах Фридмана-Робертсона-Уокера, которые являются математическими моделями, обычно используемыми для описания Вселенной, равномерно расширяющейся в больших масштабах.

Результаты показывают, что локальные геометрические компоненты пространства-времени подчиняются версии первого закона термодинамики. В этом описании возникающий вклад темной энергии действует как внутренняя энергия, в то время как квантовая геометрическая относительная энтропия (QGRE) представляет собой локальную энтропию на единицу объема.

Величины, соответствующие эффективной температуре и давлению, также естественным образом возникают из теории. Вместе эти результаты позволяют предположить, что квантовое состояние, лежащее в основе GfE, может иметь присущий ему тепловой характер.

Расширение распределяет энтропию в пространстве

Исследование также подчеркивает важность локального элемента объема, определяемого физической метрикой пространства-времени.

По мере расширения Вселенной её объем растет. В рамках GfE этот увеличивающийся объем вызывает рост общей энтропии, даже если локальная QGRE в каждой единице объема постепенно снижается.

Другими словами, Вселенная может содержать больше энтропии в целом, в то время как энтропия становится более широко распределенной по расширяющемуся пространству. Эта необычная термодинамическая картина может помочь прояснить, как могут возникать локализованные области структуры и сложности.

Гравитация и пространство-время могут быть термодинамическими

Результаты подтверждают возможность того, что гравитация и пространство-время имеют как информационные, так и термодинамические основы.

Такая интерпретация может предоставить новые способы исследования взаимосвязей между гравитацией, квантовой теорией, темной энергией, космической эволюцией и возникновением сложных структур.

Предложение находится на ранней теоретической стадии. Однако исследователи говорят, что оно может способствовать попыткам связать общую теорию относительности, термодинамику, квантовую механику и космологию в более широких рамках.

«Эта работа показывает, как теория "Гравитация из энтропии" может решить сложный вопрос примирения второго принципа термодинамики с возникновением сложности 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.

Источники:

Материалы предоставлены Лондонским университетом королевы Марии.

Ginestra Bianconi. Thermodynamics of the gravity from entropy theory. Physical Review D, 2026; 114 (2) DOI: 10.1103/26kn-thgp