Как Вселенная становится сложнее, не нарушая второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия изолированной системы со временем возрастает, то есть беспорядок увеличивается. Однако Вселенная, начиная с низкоэнтропийного состояния, породила галактики, звёзды, планеты и жизнь — сложные структуры. Как совместить эти факты? Профессор математики Лондонского университета королевы Марии Джинестра Бьянкони предложила новый взгляд в рамках теории «Гравитация из энтропии» (GfE). Об этом рассказывает издание Phys.org.
В статье, опубликованной в Physical Review D, Бьянкони исследует термодинамические свойства GfE — подхода, который выводит гравитацию из микроскопических степеней свободы геометрии пространства-времени. Результаты показывают: полная энтропия Вселенной растёт, но энтропия на единицу объёма со временем уменьшается. Это оставляет место для формирования локальных упорядоченных структур.
Связь гравитации и термодинамики известна с 1970-х годов, когда Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг установили, что чёрные дыры обладают энтропией и излучают. GfE развивает эту идею: гравитация возникает из информационно-теоретического напряжения между истинной метрикой пространства-времени и метрикой, индуцированной полями материи и кривизной. Лагранжиан GfE задаётся квантовой геометрической относительной энтропией (QGRE) между этими двумя метриками.
Уравнения GfE сводятся к общей теории относительности при низких энергиях, но в сильном пределе отклоняются от неё. В частности, они включают динамический член тёмной энергии, который может дать проверяемые предсказания. В космологических пространствах Фридмана — Робертсона — Уокера локальные геометрические степени свободы удовлетворяют первому закону термодинамики: вклад тёмной энергии интерпретируется как внутренняя энергия, а QGRE — как локальная энтропия на единицу объёма. Эффективные температура и давление возникают естественным образом.
По мере расширения Вселенной объём растёт, что ведёт к увеличению полной энтропии, но локальная QGRE на единицу объёма падает. Это ключевой результат: он показывает, как GfE примиряет второй закон с возникновением сложности. «Эта работа раскрывает, как теория гравитации из энтропии может решить сложный вопрос согласования второго закона термодинамики с появлением сложности во Вселенной», — комментирует Бьянкони.
Хотя работа находится на ранней теоретической стадии, она открывает новые пути для понимания связей между гравитацией, квантовой теорией и происхождением жизни. Авторы надеются, что результаты помогут преодолеть давние разрывы между общей теорией относительности, термодинамикой, квантовой механикой и космологией.
