1342
Нове теоретичне дослідження пропонує можливий шлях до розв’язання однієї з найскладніших загадок сучасної фізики: як Всесвіт зумів породити галактики, зорі, планети й життя, попри те, що незмінно підкоряється другому началу термодинаміки? Роботу під керівництвом професорки Джинестри Б’янконі, математикині з Лондонського університету королеви Марії, опублікували в Physical Review D.
Ейнштейн колись зазначив, що друге начало термодинаміки посідає унікальне місце серед законів природи. Воно стверджує, що загальна ентропія ізольованої системи загалом зростає з часом. Ентропію часто описують як міру безладу, хоча точніше вона відображає те, як енергія й інформація можуть розподілятися в системі. Саме тут постає велика проблема для космології: вважають, що ранній Всесвіт почався зі стану низької ентропії й неухильно рухається до вищої, — а водночас матерія організовувалася у дедалі складніші структури.
Б’янконі досліджує цю загадку за допомогою підходу під назвою «Гравітація з ентропії» (GfE). Ця теорія використовує ідеї статистичної механіки, щоб описати гравітацію як щось, що виникає з мікроскопічних властивостей геометрії простору-часу. Замість того щоб трактувати гравітацію лише як фундаментальну силу чи викривлення простору-часу, GfE пов’язує її з інформацією та ентропією на квантовому рівні.
Аналіз виявив потенційно важливу відмінність: хоча загальна ентропія Всесвіту з часом зростає, кількість ентропії на одиницю об’єму зменшується в міру розширення Всесвіту. Саме це може дати новий спосіб зрозуміти, як організовані структури здатні виникати локально, не порушуючи другого начала термодинаміки.
Ідея, що гравітація й термодинаміка глибоко пов’язані, сягає піонерських робіт Якоба Бекенштейна та Стівена Гокінга 1970-х років. Вони показали, що чорні діри мають ентропію й можуть випромінювати теплове випромінювання, вказавши на глибокий зв’язок між простором-часом, інформацією, гравітацією й теплом. GfE спирається на це ширше співвідношення: за цією теорією, гравітація виникає з «інформаційної напруги» між реальною метрикою простору-часу та іншою метрикою, породженою полями матерії й викривленням.
За низьких енергій і слабкого викривлення рівняння GfE відтворюють загальну теорію відносності, але за екстремальніших умов передбачення починають відрізнятися — зокрема з’являється змінний внесок темної енергії, який еволюціонує динамічно й потенційно піддається перевірці космологічними спостереженнями. Дослідження розглядає ці ефекти у стандартних моделях однорідно розширюваного Всесвіту й показує, що локальні геометричні компоненти простору-часу підкоряються своєрідному першому началу термодинаміки.
Ключовий момент — роль об’єму. У міру розширення Всесвіту його об’єм зростає, і в межах GfE це змушує загальну ентропію збільшуватися, тоді як локальна ентропія в кожній одиниці об’єму поступово спадає. Іншими словами, Всесвіт може містити більше ентропії загалом, тоді як вона стає ширше розподіленою простором, — і саме цей незвичний термодинамічний патерн може прояснити, як виникають локальні осередки структури й складності. «Ці результати можуть відкрити нові шляхи для дослідження давньої проблеми примирення космологічної незворотності, появи складних структур і, зрештою, життя з фундаментальною гравітаційною динамікою», — підсумовує Б’янконі, наголошуючи, що теорія поки що перебуває на ранній стадії.
