Физики предлагают захватывающее новое объяснение странной симметрии галактик

Астроном 17-го века Йоханнес Кеплер был одним из первых, кто задумался о строении снежинок. Почему они такие симметричные? Как одна сторона узнает, как долго выросла противоположная сторона?

Кеплер полагал, что все сводится к тому, что мы сейчас называем «морфогенным полем» - что вещи хотят иметь форму, которую они имеют. С тех пор наука отвергла эту идею.

Но вопрос о том, почему снежинки и подобные структуры настолько симметричны, тем не менее, не до конца понят.

Современная наука показывает, насколько фундаментален вопрос: посмотрите на все спиральные галактики. Их длина может составлять полмиллиона световых лет, но они все еще сохраняют свою симметрию. Как? В нашем новом исследовании, опубликованном в Scientific Reports, мы представляем объяснение.

Мы показали, что информация и «энтропия» - мера беспорядка системы - связаны друг с другом («инфо-энтропия») точно так же, как электрические и магнитные поля («электромагнетизм»).

Электрические токи создают магнитные поля, в то время как изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи. Информация и энтропия одинаково влияют друг на друга.

Энтропия - фундаментальное понятие в физике. Например, поскольку энтропия никогда не может уменьшиться (беспорядок всегда увеличивается), вы можете превратить яйцо в яичницу, но не наоборот. Если вы перемещаете информацию вокруг себя, вы также должны увеличивать энтропию - телефонный звонок имеет стоимость энтропии.

Мы показали, что энтропию и информацию можно рассматривать как поле и что они связаны с геометрией. Подумайте о двух нитях двойной спирали ДНК, обвивающихся вокруг друг друга.

Световые волны имеют одинаковую структуру, где две нити представляют собой электрические и магнитные поля. Мы математически показали, что связь между информацией и энтропией может быть визуализирована с использованием одной и той же геометрии.

Мы хотели посмотреть, сможет ли наша теория предсказать вещи в реальном мире, и решили попробовать рассчитать, сколько энергии вам понадобится для преобразования одной формы ДНК в другую. В конце концов, ДНК - это спираль и форма информации.

Это было фактически сделано в чрезвычайно точных измерениях около 16 лет назад. Исследователи вытянули молекулу ДНК прямо (ДНК любит свернуться) и скрутили ее на 4800 оборотов, удерживая концы с помощью оптического пинцета.

ДНК переворачивается из одной формы в другую, как на картинке выше. Затем исследователи могут рассчитать разницу энергий между двумя формами.

Но наша теория также может рассчитать эту разность энергий. Мы знали энтропию каждой из двух версий этой молекулы ДНК, и энергия просто является продуктом энтропии и температуры. Наш результат был точен - теория, казалось, выдержала.

От крошечного до огромного

Спиральные галактики представляют собой двойные спирали, точно так же, как ДНК представляет собой двойную спираль - математически говоря, они имеют схожие геометрии.

Наша теория прямо показывает, почему два рукава спиральных галактик симметричны - это потому, что инфо-энтропийные поля порождают силы (как и другие поля). Звезды в галактике просто поставлены энтропийной силой, чтобы выстроиться в пару таких спиралей, чтобы максимизировать энтропию.

Но мы тоже хотели получить реальные цифры. Поэтому мы решили попытаться вычислить массу нашей галактики из нашей теории. Мы знаем, насколько тяжелым кажется Млечный Путь из-за того, как быстро звезды движутся около края галактики - это около 1,3 триллиона масс Солнца.

Странно, но на самом деле это намного больше, чем масса всех видимых звезд в галактике. Чтобы объяснить это несоответствие и объяснить, почему звезды движутся намного быстрее, чем ожидалось, астрономы пришли к идее «темной материи» - невидимой массы, скрывающейся в галактике, увеличивающей ее гравитационное притяжение к звездам.

Нам нужно было знать энтропию галактики для наших расчетов. К счастью, физик-математик Роджер Пенроуз показал, что в этой энтропии преобладает ее центральная сверхмассивная черная дыра.

Мы знаем массу этой черной дыры (4,3 миллиона солнечных масс). И что удивительно, когда вы знаете массу черной дыры, существует уравнение, открытое покойным физиком Стивеном Хокингом, которое вычисляет ее энтропию. Хокинг также обнаружил, как рассчитать «температуру» на ее поверхности или «горизонт событий».

Если вы можете назначить «температуру» горизонту событий черной дыры - в котором нет ничего, что могло бы иметь температуру - почему бы не назначить температуру галактике? В нашей статье мы утверждаем, что это разумно (используя так называемый «голографический принцип»).

Таким образом, мы использовали наши уравнения информационной энтропии для расчета голографической температуры галактики.

Тогда это становится легким. Мы знаем, что энергия галактики определяется произведением ее энтропии и температуры. И когда мы знаем энергию, мы можем узнать массу благодаря знаменитому уравнению Эйнштейна: E = mc2.

На этот раз результат был не совсем точным, но он был достаточно близок, учитывая нашу очень упрощенную модель галактики. Информационно-энтропийная геометрия галактики не только объясняет, как энтропийные силы создают красивую симметричную форму и поддерживают ее, но также учитывает всю массу, которая в ней проявляется.

Это означает, что нам на самом деле не нужна темная материя. Согласно нашей модели, галактическая энтропия порождает такое большое количество дополнительной энергии, что она изменяет наблюдаемую динамику галактики - заставляя звезды на краю двигаться быстрее, чем ожидалось.

Это именно то, что темная материя должна была объяснить. Энергия не наблюдается непосредственно как масса, но ее присутствие определенно подтверждается астрономическими наблюдениями, объясняющими, почему поиски темной материи до сих пор ничего не нашли.

Существует много исследований, подтверждающих идею темной материи. Наша теория предлагает альтернативное объяснение наблюдений и не нуждается в новой физике. Конечно, требуется более детальная работа, чтобы убедиться, что истинная сложность наблюдений также может быть успешно смоделирована.

Мы думаем, что «морфогенное поле», которое искал Кеплер, действительно существует, и фактически является результатом переплетения информации и энтропии. Кажется, что после четырех долгих веков Кеплер был наконец оправдан.

Крис Джейнс, старший научный сотрудник, Университет Суррея и Майкл Паркер, приглашенный научный сотрудник, Университет Эссекса.
Эта статья переведена из The Conversation под лицензией Creative Commons.