Одна из самых интригующих задач современной физики кажется на первый взгляд простой: каким образом Вселенная смогла создать галактики, звезды, планеты и жизнь, при этом оставаясь в рамках второго закона термодинамики — того самого, который Эйнштейн считал основополагающим принципом физики.
Суть проблемы заключается в следующем: второй закон термодинамики утверждает, что общая энтропия изолированной системы со временем увеличивается. Энтропия часто рассматривается как мера беспорядка, хотя, если быть точным, она отражает распределение энергии и информации в системе. Ученые считают, что ранняя Вселенная находилась в состоянии низкой энтропии и постепенно переходила к более высокой. Однако в то же время материя организовывалась в более сложные структуры — от галактик до живых организмов. Как растущая сложность может сосуществовать с постоянным увеличением энтропии, оставалось загадкой.
Профессор Джинестра Бьянкони, математик из Лондонского университета королевы Марии, предложила возможное объяснение этого парадокса. Она исследовала проблему с помощью теории «Гравитация из Энтропии» (Gravity from Entropy, GfE) — подхода к квантовой гравитации, который использует идеи статистической механики. Вместо того чтобы рассматривать гравитацию исключительно как фундаментальную силу или искривление пространства-времени, GfE связывает ее с информацией и энтропией на квантовом уровне.
Анализ Бьянкони выявил важное различие: хотя общая энтропия Вселенной увеличивается, количество энтропии на единицу объема уменьшается по мере расширения Вселенной. Другими словами, Вселенная может содержать больше энтропии в целом, но в то же время энтропия распределяется все шире по расширяющемуся пространству. Это необычное термодинамическое поведение может объяснить, как локальные области структуры и сложности могут возникать, не нарушая второй закон.
Идея глубокой взаимосвязи гравитации и термодинамики восходит к пионерским исследованиям Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга 1970-х годов о черных дырах, обладающих энтропией и способных излучать тепловую радиацию. Теория GfE развивает эти концепции, описывая гравитацию как следствие информационного напряжения между реальной метрикой пространства-времени и другой метрикой, создаваемой материей и кривизной.
«Эта работа демонстрирует, как теория «Гравитация из Энтропии» может помочь в решении сложной задачи согласования второго начала термодинамики с возникновением сложности во Вселенной», — отмечает профессор Бьянкони, подчеркивая, что итоги ее исследования могут открыть новые горизонты для изучения космологической необратимости и, в конечном счете, появления жизни.
Фото: hi-tech.mail.ru