Галактики, звезди, планети и самият живот са се появили с разширяването и усложняването на Вселената. Вторият закон на термодинамиката обаче гласи, че общата ентропия на изолирана система трябва да се увеличава с течение на времето, което създава фундаментален въпрос: как може нарастващата космическа организация да съществува едновременно със закон, обикновено свързан с нарастващ безпорядък?

Айнщайн е заявил известното, че „Вторият закон на термодинамиката заема уникално място сред законите на природата“, изразявайки убеждението си, че той се нарежда сред най-фундаменталните и трайни принципи на физиката. Според втория закон общата ентропия в рамките на изолирана система има тенденция да се увеличава с течение на времето.

Следователно космологията е изправена пред постоянна загадка. Смята се, че ранната Вселена е започнала в състояние на ниска ентропия, преди да се насочи към по-висока. По време на същата тази история обаче материята се е сглобявала във все по-сложни структури, в крайна сметка произвеждайки галактики, звезди, планети и живот. Обяснението как е възникнал този ред, докато ентропията е продължила да расте, остава нерешено предизвикателство.

В статия, публикувана във Physical Review D, математикът от Лондонския университет „Кралица Мери“ Джинестра Бианкони изследва проблема чрез теорията за гравитация от ентропия (GfE), квантова теория на гравитацията, която използва статистическа механика, за да изведе гравитацията от микроскопичните степени на свобода в рамките на пространствено-времевата геометрия.

Нейният анализ на термодинамичното поведение на теорията установява, че общата ентропия на Вселената се увеличава с времето, докато ентропията ѝ на единица обем намалява. Това разграничение оставя място за нови обяснения за това как организираните структури биха могли да се развиват локално дори когато общата ентропия се увеличава.

Идеята, че гравитацията и термодинамиката са тясно свързани, датира от работата на Джейкъб Бекенщайн и Стивън Хокинг през 70-те години на миналия век. Техните изследвания установяват, че черните дупки имат ентропия и отделят топлинно излъчване, което сочи към по-дълбока връзка между пространство-времето, информацията и топлината.

Теорията за гравитация от ентропия (GfE) описва гравитацията като възникваща от информационно-теоретично напрежение между физическата метрика на пространство-времето и друга метрика, произведена от полетата на материята и кривината. Метриката е математическата структура, използвана за описание на разстоянията и геометрията в пространство-времето.

Тази интерпретация се появява в лагранжиана на GfE чрез квантовата геометрична относителна ентропия (QGRE), която измерва връзката между двете метрики. При ниски енергии и слаба кривина гравитационните уравнения на теорията се свеждат до Обща теория на относителността. При по-силни условия обаче те започват да се различават.

Извън тази слаба граница уравненията генерират и динамичен член на тъмната енергия. Тъй като този принос се променя с времето, той потенциално би могъл да доведе до наблюдения, които позволяват на физиците да тестват теорията.

Бианкони изследва термодинамиката на GfE в космологичните пространствено-времеви модели на Фридман-Робъртсън-Уокър – математически модели, използвани за описание на разширяваща се и широко еднородна Вселена.

Резултатите показват, че локалните геометрични степени на свобода следват Първия закон на термодинамиката. В това описание терминът на динамичната тъмна енергия действа като вътрешна енергия, докато квантовата геометрична относителна ентропия (QGRE) представлява локална ентропия на единица обем. Ефективни форми на температура и налягане също възникват естествено, което предполага, че квантовото състояние зад GfE може да има присъщ топлинен характер.

Локалният обемен елемент, дефиниран от физическата метрика, играе централна роля. С увеличаването на космическото разширение на този обем общата ентропия се увеличава, но количеството QGRE във всяка единица обем намалява. Това разделение между обща и локална ентропия придава на теорията нейното отличително термодинамично поведение.

Рамката предполага, че гравитацията и пространство-времето могат да бъдат фундаментално свързани както с термодинамиката, така и с информацията. Ако бъде доразвита, тя би могла да предложи нов начин за изследване на връзките между гравитацията, квантовата теория, космологията и появата на сложността.

Предложението остава в ранен теоретичен етап, но Бианкони твърди, че би могло да помогне за справяне с дългогодишните разделения между общата теория на относителността, термодинамиката, квантовата механика и космологията.

Следователно „тази работа разкрива как теорията за гравитацията от ентропията може да се справи с предизвикателния въпрос за съгласуване на втория принцип на термодинамиката с появата на сложността в нашата Вселена. Тези резултати могат да открият нови пътища за изследване на дългогодишния проблем за съгласуване на основите на космологичната необратимост, появата на сложни структури и в крайна сметка на живота с фундаменталната гравитационна динамика“, казва Бианкони.

Снимка: Unsplash

Виж още: Тази математическа теория описва свят, в който извънземни и богове са реалност