Новая теория гравитации объяснила появление космического порядка на фоне роста энтропии
Галактики, звёзды и живые клетки являются примерами локального порядка, возникающего во Вселенной. На первый взгляд это противоречит одному из старейших принципов физики, согласно которому в изолированной системе энтропия, то есть мера беспорядка, со временем должна постоянно увеличиваться.
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, предлагает математическое объяснение того, как подобные структуры могут формироваться, не нарушая второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия, или степень беспорядка, в изолированной системе всегда возрастает с течением времени. Альберт Эйнштейн однажды назвал этот закон уникальным среди законов природы, подчёркивая его фундаментальное значение для физики.
На ранних этапах существования Вселенная была относительно гладкой и однородной и обладала низкой энтропией. По мере её расширения гравитация начала собирать газ в звёзды, звёзды — в галактики, а последующие процессы в конечном итоге создали условия для возникновения жизни. Каждый из этих этапов, казалось бы, приводил к появлению порядка в определённых областях пространства, хотя Вселенная в целом становилась всё более неупорядоченной. Космологи обычно объясняли это тем, что объём Вселенной продолжает увеличиваться.
Гравитация как информационный баланс
Математик Джинестра Бьянкони из Лондонского университета королевы Марии попыталась рассмотреть эту проблему с помощью теоретической концепции под названием «Гравитация из энтропии». В отличие от традиционного подхода, в котором гравитация рассматривается как фундаментальная сила природы, эта концепция предполагает, что гравитация возникает из информационного различия между двумя описаниями геометрии пространства-времени.
Одна метрика описывает фактическую форму пространства-времени, тогда как другая характеризует геометрию, которую должны были бы создавать материя и кривизна пространства-времени. Если эти два описания совпадают, гравитация исчезает. Если между ними существует различие, гравитация возникает как следствие этого несоответствия.
В пределе низких энергий и слабой кривизны предложенная концепция сводится к общей теории относительности. В новом исследовании Бьянкони добавила к этой теоретической системе термодинамический аспект. Она применила концепцию «Гравитации из энтропии» к стандартной модели расширяющейся Вселенной и показала, что локальные геометрические степени свободы подчиняются первому закону термодинамики, а температура и давление возникают непосредственно из уравнений.
Локальная энтропия уменьшается при росте общей
Одним из центральных результатов исследования стало различие между общей энтропией и энтропией, приходящейся на единицу объёма. По мере расширения Вселенной её общая энтропия увеличивается, как и требует второй закон термодинамики. Однако энтропия на единицу объёма со временем уменьшается, несмотря на продолжающийся рост общей энтропии Вселенной.
В рамках концепции «Гравитации из энтропии» Бьянкони предполагает, что снижение локальной плотности энтропии может помогать объяснить появление галактик и других космических структур. Иными словами, общее увеличение энтропии Вселенной не исключает возникновения областей локального порядка, поскольку расширение пространства меняет распределение энтропии.
Исследование также показало, что геометрическая температура меняется в зависимости от того, какой компонент доминирует во Вселенной. В моделях, где преобладают материя или излучение, температура со временем снижается. Во Вселенной, доминируемой тёмной энергией, подобной нашей, она остаётся почти постоянной. Предложенная теоретическая система также позволяет приписать температуру и давление даже пустому пространству-времени.
Теория пока ждёт экспериментальной проверки
«Эта работа показывает, как теория "Гравитации из энтропии" может подойти к сложной проблеме согласования второго закона термодинамики с возникновением сложности в нашей Вселенной», — заявила Бьянкони. По её словам, полученные результаты могут открыть новые направления для изучения давней проблемы согласования космологической необратимости, возникновения сложных структур и, в конечном итоге, жизни с фундаментальной гравитационной динамикой.
При этом концепция «Гравитации из энтропии» пока не подтверждена наблюдениями. Теория делает предсказания, которые в будущем можно будет проверить с помощью наблюдений за крупномасштабной структурой Вселенной и другими гравитационными явлениями.
Хотя предложенная теория остаётся недоказанной, Бьянкони считает, что она может предложить новый способ связать гравитацию, термодинамику, квантовую механику и возникновение сложности во Вселенной в рамках единой теоретической картины.
Исследование в журнале Physical Review D.