Энтропия, тёмная энергия и жизнь: по новой теории гравитации, всё это нити одного и того же полотна Вселенной
Второе начало термодинамики считается одним из самых фундаментальных законов природы. Оно утверждает, что энтропия изолированной системы со временем возрастает. Именно поэтому физиков давно занимает вопрос: если Вселенная постоянно движется к состоянию большей энтропии, каким образом в ней вообще смогли появиться настолько сложные структуры, как галактики, звёзды, планеты и в конечном итоге жизнь?
Математик Джинестра Бьянкони из Лондонского университета королевы Марии предложила возможное объяснение этой загадки. В своей новой работе она исследовала модель Gravity from Entropy («Гравитация из энтропии»), которая рассматривает гравитацию не только как искривление пространства-времени, но и как следствие более глубоких информационных и термодинамических процессов.
Ключевой вывод исследования заключается в том, что общая энтропия Вселенной действительно продолжает увеличиваться, как и требует второй закон термодинамики. Однако по мере расширения космоса растёт и его объём, поэтому энтропия распределяется по всё большему пространству. В результате её количество в каждом отдельном участке постепенно уменьшается.
По мнению автора работы, именно это различие между полной энтропией и её локальной плотностью может помочь объяснить, почему во Вселенной возникают упорядоченные структуры. Общая энтропия продолжает расти, но отдельные области получают возможность формировать более сложную организацию вещества, не нарушая фундаментальных законов физики.
Теория Gravity from Entropy основана на идее, что геометрия пространства-времени связана с информацией на квантовом уровне. В её рамках гравитация возникает из различия между двумя математическими описаниями пространства-времени — реальной геометрией и геометрией, определяемой материей и кривизной. Это различие описывается величиной, которую автор называет квантовой геометрической относительной энтропией (Quantum Geometric Relative Entropy, QGRE).
Связь между гравитацией и термодинамикой сама по себе не нова. Ещё в 1970-х годах Джейкоб Бекенштейн и Стивен Хокинг показали, что чёрные дыры обладают собственной энтропией и способны испускать тепловое излучение. Эти открытия впервые указали, что пространство-время, информация и термодинамика могут быть тесно связаны между собой. Новая работа развивает эту идею и распространяет её на всю Вселенную.
Исследование также показывает, что в условиях слабой кривизны пространства-времени теория воспроизводит результаты общей теории относительности Эйнштейна. Однако при более экстремальных условиях её предсказания начинают отличаться. В частности, модель естественным образом порождает динамическую тёмную энергию, величина которой меняется по мере эволюции Вселенной.
Если такие отличия удастся обнаружить с помощью будущих космологических наблюдений, теория сможет получить экспериментальную проверку. Пока же речь идёт исключительно о математической модели.
Расчёты проводились для широко используемой космологической модели Фридмана — Робертсона — Уокера, описывающей однородно расширяющуюся Вселенную. В рамках этой модели оказалось, что локальные свойства пространства-времени подчиняются аналогу первого закона термодинамики. При этом тёмная энергия ведёт себя как внутренняя энергия системы, а квантовая геометрическая относительная энтропия играет роль локальной энтропии единицы объёма.
Авторы считают, что полученные результаты могут стать ещё одним шагом к объединению общей теории относительности, квантовой механики, термодинамики и современной космологии. Хотя предложенная концепция остаётся сугубо теоретической, она предлагает новый взгляд на один из самых давних вопросов фундаментальной физики: почему во Вселенной одновременно растут и энтропия, и сложность её устройства.