Гравитацията от ентропията, наричана също "ентропична гравитация, описва гравитацията не като фундаментална сила, а като възникващо явление, обусловено от статистическата механика и законите на термодинамиката. Тя може да обясни как структури с ниска ентропия, като например галактики, възникват и съществуват във вселена, в която ентропията се увеличава с времето.
Използвайки теорията на Гравитацията от ентропията (GfE), Джинестра Бианкони (Ginestra Bianconi) от Лондонския университет "Куин Мери", Великобритания, показва как плътността на ентропията може да намалее локално, докато общата ентропия на Вселената се увеличава.
Законите на термодинамиката са може би сред най-фундаменталните принципи в повечето области на физиката. Може би най-важният от тях е вторият закон на термодинамиката, който гласи, че ентропията на една система трябва да се увеличава с времето. Уникално е, че това е единственият закон на физиката, който улавя посоката на времето, което наблюдаваме.
По принцип ентропията е мярка за безпорядък: по-ниската ентропия означава повече структура, а по-високата ентропия означава по-малко структурирана система. Увеличаването на ентропията е причината да се наблюдава дифузия от висока към ниска концентрация, газовете да се разширяват и кафето да изстива.
Космологичен парадокс
Смята се, че еволюцията на Вселената също следва втория закон. Ранната Вселена е била в състояние на ниска ентропия и е еволюирала до състояния с висока ентропия. Вярно е също, че по време на тази еволюция Вселената е породила някои невероятно сложни структури. Галактиките са отличен пример за такива структури с ниска ентропия, но които са се образували в среда с висока ентропия. Тяхното създаване очевидно нарушава втория закон. Това е дългогодишно противоречие в областта на космологията, което мотивира гравитационната рамка, предложена от Бианкони.
В наскоро публикуваната в Physical Review D статия Бианкони надгражда предишната си работа върху теорията за GfE и я прилага към цялата вселена, за да се справи с този труден парадокс.
В Общата теория на относителността на Айнщайн, метриката математически описва как е изкривено пространство-времето на една вселена. Масата следва тази кривина и по този начин се реализира гравитационна сила. В квантовата механика операторите са математически обекти, които могат да се прилагат към физически квантови състояния, за да ги трансформират (например еволюцията на времето или отражението на квантово състояние).
Квантова относителна ентропия
Ключовото прозрение на теорията за GfE е, че тези метрики се третират като квантови оператори, които кодират геометрията на пространство-времето. Квантуването на геометрията на пространство-времето по този начин води до две понятия за метриката - едната е "истинската" метрика, а другата е индуцирана чрез масата и енергията. Разграничимостта между истинската метрика на пространство-времето и тази, индуцирана от масата и енергията, се измерва с величина, вкоренена в квантовата теория на информацията, наречена квантова относителна ентропия (QRE).
Това е фундаментална концепция на теорията на информацията и тя количествено определя разликата в информацията, кодирана в две квантови състояния. По-конкретно, QRE е мярка за това колко информация от едно квантово състояние се носи от друго квантово състояние.
Идеята на Бианкони е, че взаимодействието между двете геометрии, измерени чрез QRE, в този сценарий определя динамиката на пространство-времето. Тя предлага действието на гравитацията да е баланс между две различни метрики: едната е дефинирана от геометрията на пространство-времето, а другата от материйните полета, присъстващи в него. В този смисъл теорията е вдъхновена от известното описание на гравитацията на Джон Уилър: "Материята казва на пространството как да се извива, а пространството казва на материята как да се движи". Тя обаче отива и по-далеч, тъй като се стреми да направи тази връзка изрична в математическата формулировка на гравитацията, оформяйки я в действие на статистическата механика и информационната теория.
С други думи, квантовата теория на относителността (QRE) води до уравнения на движението, които описват гравитацията.
Ролята на G - полето
Бианкони открива, че в границата на ниската кривина, класическата Обща теория на относителността се възпроизвежда точно от тези уравнения. Извън тази граница обаче, уравненията трябва да бъдат модифицирани от математически обект, наречен "G-поле".
За малки енергии и ниски стойности на кривината на пространство-времето (режим на "ниско свързване"), уравненията, представени от Бианкони, се свеждат до стандартните уравнения на Общата теория на относителността на Айнщайн. Отвъд този режим, пълните модифицирани уравнения на Айнщайн могат да бъдат записани по отношение на ново поле, G-полето, което поражда ненулева космологична константа. Често свързвана с ускореното разширяване на Вселената, космологичната константа допринася за все още мистериозната субстанция, известна като тъмна енергия, която се оценява, че съставлява 68% от маса/енергията във Вселената.
Ключова характеристика на теорията на Бианкони, базирана на ентропията, е че космологичната константа всъщност не е константа, а зависи от G-полето. Това G-поле генерира член на тъмната енергия, който е изненадващо динамичен. Смята се, че тъмната енергия директно движи разширяването на Вселената. В стандартната Обща теория на относителността, тъмната енергия се движи от статичната космологична константа, поради което изненадващ динамичен член на тъмната енергия от G-полето е път, който има потенциал да бъде проверен.
Запазване на втория закон
В скорошна статия Бианкони описва как теорията на GfE може да се приложи към метрична вселена на Фридман-Робъртсън-Уокър (FRW). Моделът FRW е от Общата теория на относителността, която предоставя първо приближение към поведението на вселената, показвайки прости характеристики като изотропия (тя изглежда еднакво във всички посоки, когато се наблюдава от една точка), хомогенност (глобално равномерно разпределение на съдържанието си) и разширение (свойство, наблюдавано във вселената).
Разширяването се обуславя от доминиращия състав на Вселената, като например тъмна материя, материя или радиация. С разширяването на Вселената нейният обем също се увеличава, заедно с общата ѝ ентропия. Поради това нарастване, локалната ентропия на единица обем намалява с течение на времето, тъй като във вече по-голяма единица обем се съдържа същото количество ентропия; плътността на ентропията намалява (заедно с подобно поведение на разпад за локалната енергийна плътност). Това намаляване на локалната ентропия във Вселена с нарастваща ентропия осигурява механизъм за създаване на структури с ниска ентропия, като галактики и дори форми на живот, в разширяваща се Вселена.
Тогава остава въпросът: нарушава ли този механизъм втория закон на термодинамиката?
За щастие, Бианкони отговаря и на този въпрос за непразна вселена, описана от метриката FRW. За да се намери общата ентропия на такава вселена, плътността на ентропията трябва да бъде интегрирана в пространствено-времева област, която, поради факта, че обемът се увеличава, е зависима от времето величина. Това е резултат от това, че разширяването е по-бързо от намаляването на плътността на ентропията. За вселени, доминирани от радиация и материя, ентропията се увеличава с времето, по-специално следвайки втория закон на термодинамиката, дори когато плътността на ентропията намалява локално. В обобщение, докато плътността на ентропията намалява локално, общата ентропия на Вселената все още се увеличава в този модел.
Бианкони подчертава, че теорията за GfE е все още в начален стадий на развитие и са необходими експериментални проверки. Тази работа обаче подчертава присъщата термодинамична природа на теорията за GfE, която отваря нови пътища както за класическата, така и за квантовата гравитация. Като разглежда гравитацията от гледна точка на квантова информация и ентропия, теорията може да предложи алтернативен път към квантуване на гравитацията - едно от дългогодишните предизвикателства във фундаменталната физика.
Справка: Thermodynamics of the gravity from entropy theory, Ginestra Bianconi, Phys. Rev. D 114, 024042 – Published 16 July, 2026; DOI: https://doi.org/10.1103/26kn-thgp
Източник: Could quantum information theory explain universe evolution?, Sam Jones, Physics World
Още по темата
Физика
Мостовете на Айнщайн-Розен не са червееви дупки, а квантови противоположни посоки на времето
Космос
Гравитация от ентропията: Революционна теория свързва квантовата механика и теорията на относителността
Физика
Можем ли да разберем квантовата реалност, ако е невъзможно да я измерим?
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Памет на водата или как ни промиват мозъка
Произходът на мартеницата трябва да се търси далече - в Индия и Древна Гърция
Откъде идва "химията" на междуличностните връзки?
Експериментален руски спътник се разпада в орбита и оставя следи от отломки