Как квантовата информация може да обясни гравитацията

Ново изследване показва колко дълбока е връзката между гравитацията и квантовата информация. Според резултатите геометрията на пространство-времето може да бъде свързана с начина, по който информацията се  съхранява в квантовите полета.

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн описва гравитацията като следствие на изкривяването на пространството и времето под въздействието на масата и енергията. Квантовата теория, от друга страна, обяснява поведението на материята и взаимодействията в микромащаб. Обединяването на тези два начина за описване на природата е една от нерешените задачи на физиката.

Още през 1995 г. физикът Тед Джейкъбсън(Ted Jacobson) показва, че уравненията на Айнщайн могат да бъдат изведени от принципи на термодинамиката - науката, която изучава топлината, енергията и ентропията. 

Тази идея поражда възможността гравитацията да не е фундаментално явление сама по себе си, а да възниква от по-дълбоки физични процеси.

В изследването си, публикувано в списание Physical Review Letters, учените реконструират термодинамичното извеждане на Общата теория на относителността, използвайки по-строги математически методи, които свързват квантовата информация с геометрията на пространство-времето.

Новият принос на авторите е начинът, по който тази връзка е доказана математически. Макар основните идеи да са били известни и преди, изследването предлага по-прецизна формулировка на връзката между информацията и гравитацията. Те представят нови улики за произхода на гравитацията чрез използването на квантова относителна ентропия.

От квантовата информация към гравитацията

Изследователите изхождат от предположението, че пространството и гравитацията може да не са първични характеристики на природата, а възникват от квантовия свят.

Вместо да разчитат единствено на класическото понятие за ентропия, те използват квантова относителна ентропия - математическа величина от теорията на квантовата информация. Тя измерва доколко два квантови състояния могат да бъдат разграничени едно от друго.

Съавторът на изследването д-р Алберт Мъч (Albert Much), доцент по квантова теория на полето и Обща теория на относителността, обяснява, че когато тази величина се разглежда при хоризонт на събитията - граница в пространство-времето, отвъд която не може да се получи информация - тя се оказва равна на енергията, преминаваща през този хоризонт.

Когато този резултат се съчетае с установената връзка между ентропията и площта на хоризонтите на събитията, формулирана в работите на Яков Бекенщайн и Стивън Хокинг, може да се стигне до уравненията, описващи как квантовата материя изкривява пространство-времето.

Авторите онагледяват относителната ентропия с аналогия от природата.

Да си представим морска повърхност, която никога не е напълно неподвижна. Постоянните малки вълни могат да се сравнят с квантовия вакуум - състоянието, което наричаме празно пространство. Ако през тази повърхност премине по-голяма вълна, относителната ентропия показва доколко тя може да бъде разграничена от непрекъснатите колебания на фона.

По аналогичен начин квантовата относителна ентропия позволява да се опише разликата между квантови състояния и да се свърже тази разлика с физични величини като енергията и геометрията на пространство-времето.

Когато информацията се превръща в гравитация

Според авторите същественото постижение на изследването е, че предлага математически строг подход към връзка, която по-рано често е била представяна чрез аналогии, физична интуиция и аргументи, преполагащи възможни обяснения.

В продължение на десетилетия връзката между ентропията и гравитацията е изследвана посредством аналогии с класическата термодинамика. Новата работа предлага напълно строга математическа рамка, подкрепена от прецизни изводи и доказателства. Авторите разглеждат това като значима стъпка към разбирането на квантовата гравитация.

Мъч подчертава, че извеждането използва математически строго определени величини. Това подкрепя идеята, че пространство-времето и гравитацията могат да възникват от по-фундаментална квантова информационна структура.

Изследването показва, че начинът, по който се изкривяват пространството и времето, може да бъде свързан с възможността различните квантови състояния да бъдат разграничавани едно от друго.

Уравненията на гравитацията, включително квантовите поправки към тях, могат да бъдат получени от квантовата информация, заявява Мъч, представяйки музикална аналогия: "материята е дърпането на струна на китара, пространство-времето е струната, а нотата, която тя произвежда, са уравненията на Айнщайн."

Съавторът Филип Дорау (Philipp Dorau), теоретичен физик от Института по теоретична физика към Лайпцигския университет в Германия, отбелязва, че квантовата теория на полето в изкривено пространство-време често се разглежда като първа стъпка към квантовата гравитация.

Новите резултати обаче подсказват нещо по-фундаментално: локалното изкривяване на пространство-времето е свързано с квантовата информация.

Според Дорау голяма част от съставните елементи на изследването са известни от десетилетия. Физиците отдавна изучават поведението на квантовата материя в близост до хоризонти на събитията, например около черни дупки, както и топлинните свойства на празното пространство.

Липсващата връзка се появила благодарение на по-новите постижения в разбирането на относителната ентропия.

Възможен мост между квантовата физика и гравитацията

Засега изследването няма непосредствено практическо приложение. Значението му е преди всичко. че може да помогне за по-доброто разбиране на основните закони на природата.

Историята на физиката показва, че подобни теоретични разработки понякога придобиват огромно практическо значение много години след създаването си. Мъч посочва Общата теория на относителността като пример: теория, възприемана първоначално като абстрактна математическа конструкция, днес е необходима за технологии като GPS.

Квантовата информация, върху която се основава новото изследване, е същевременно теоретичната основа на квантовите изчисления и редица квантови технологии.

Ако резултатите бъдат потвърдени и доразвити, те биха могли да помогнат за преодоляването на едно от най-дълбоките разделения в съвременната физика: несъответствието между квантовите закони, управляващи микроскопичния свят, и теорията на Айнщайн, описваща гравитацията.

Изследователите не приемат гравитацията непременно като самостоятелно фундаментално взаимодействие. Вместо това работата им подкрепя възможността самото пространство-време да възниква от информационната структура на квантовата Вселена.

Следващата им цел е да разширят резултатите към по-общи физични ситуации, включително различни видове квантова материя, по-широк клас квантови състояния и сингулярности, които имат важно значение във физиката на черните дупки.

Мъч обяснява, че екипът се опитва да обобщи резултатите до пълна теория на квантовата гравитация. Според него откритата връзка може да се превърне в средство за проверка и сравняване на различни теории за квантовата гравитация.

В бъдещите си изследвания учените ще се опитат да формулират квантовия член, който се въвежда в уравненията, и да проверят дали от другата страна се получават очакваните уравнения на Айнщайн, допълнени с квантови поправки.

Дългосрочната им цел е да установят доколко гравитацията може да бъде изведена единствено от квантовата информация и дали този подход ще помогне за изграждането на цялостна теория на квантовата гравитация.

Уточнение

Трябва да се отбележи, че изследването не доказва, че гравитацията със сигурност възниква единствено от квантовата информация, нито че вече разполагаме с завършена теория на квантовата гравитация. То представя математическо извеждане на полукласическите уравнения на Айнщайн чрез квантова относителна ентропия и подкрепя една от изследваните хипотези за по-дълбокия произход на гравитацията.

Това е важна теоретична стъпка, но предстои да се установи доколко подходът може да бъде обобщен и как ще се съчетае с пълното квантово описание на гравитацията.

Справка: Philipp Dorau et al., From Quantum Relative Entropy to the Semiclassical Einstein Equations, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/lmq8-nsty

Източник: Gravity and quantum information linked through a derivation of Einstein's equations, Leon Barkho, University of Sharjah

Още по темата

15/09/2026

Физика

Може ли квантовата информационна теория да обясни еволюцията на Вселената?

08/07/2026

Физика

Тайните на черните дупки и масата на частицата Хигс може да се крият в 7-измерна геометрия

06/03/2025

Космос

Гравитация от ентропията: Революционна теория свързва квантовата механика и теорията на относителността

17/11/2023

Физика

Как черните дупки консумират ентропия