To największy paradoks fizyki, o jakim słyszałem. Naukowcy wreszcie zidentyfikowali sieć powiązań we wszechświecie
Nowe, potencjalnie przełomowe badania opierają się na rozwijanej od kilku lat teorii znanej jako grawitacja z entropii. Jej autorką jest Ginestra Bianconi z Queen Mary University of London. Według tej koncepcji grawitacja nie jest fundamentalną siłą natury, lecz zjawiskiem wyłaniającym się z właściwości informacyjnych czasoprzestrzeni i procesów związanych z entropią kwantową. W najnowszej pracy Bianconi pokazuje, że teoria pozwala wyjaśnić, w jaki sposób we wszechświecie mogą jednocześnie powstawać uporządkowane struktury i rosnąć całkowita entropia.
Na pierwszy rzut oka problem wydaje się poważny. Druga zasada termodynamiki od XIX wieku stanowi jeden z fundamentów fizyki i mówi, że całkowita entropia izolowanego układu nigdy nie maleje. Oznacza to, iż z czasem systemy stają się coraz bardziej chaotyczne. Tymczasem grawitacja działa odwrotnie: skupia materię, prowadząc do narodzin gwiazd, galaktyk i całych gromad galaktyk. Przez dziesięciolecia fizycy zastanawiali się, jak pogodzić te dwa obrazy rzeczywistości.
Zgodnie z nową teorią odpowiedź kryje się w rozróżnieniu między całkowitą entropią wszechświata a entropią przypadającą na jednostkę objętości. Wraz z rozszerzaniem się kosmosu jego całkowita entropia rzeczywiście rośnie, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Jednocześnie lokalnie może dochodzić do spadku entropii, co umożliwia formowanie się uporządkowanych struktur pod wpływem grawitacji. Innymi słowy, narodziny gwiazd czy galaktyk nie naruszają praw termodynamiki, ponieważ są elementem szerszego procesu, w którym całkowity poziom nieuporządkowania nadal wzrasta.
Teoria grawitacji z entropii została po raz pierwszy zaprezentowana w ubiegłym roku jako próba połączenia ogólnej teorii względności Alberta Einsteina z mechaniką kwantową. Model wykorzystuje pojęcie kwantowej entropii względnej do opisania zależności między materią a geometrią czasoprzestrzeni. W granicy niskich energii prowadzi do równań zgodnych z ogólną teorią względności, natomiast przy ekstremalnych energiach przewiduje odchylenia, które w przyszłości mogłyby zostać zweryfikowane doświadczalnie.
Realne korzyści dotyczące ostatnich badań mogłyby dotyczyć czegoś więcej niż tylko relacji między grawitacją a entropią. Jeśli ta teoria okaże się poprawna, mogłaby dostarczyć nowych wskazówek dotyczących długo poszukiwanej kwantowej teorii grawitacji, czyli modelu, który połączyłby opis największych struktur we wszechświecie z prawami rządzącymi światem cząstek elementarnych. Taki cel pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki teoretycznej.
Źródło: Physical Review D