Британский математик предложила возможное решение одной из фундаментальных загадок современной физики: как во Вселенной могли появиться галактики, звёзды и жизнь, если она подчиняется второму закону термодинамики, который предполагает постоянный рост беспорядка. Исследование Джинестры Бьянкони из Лондонского университета королевы Марии объясняет это явление в рамках теории «гравитации из энтропии» (GfE).
Второй закон термодинамики гласит, что общая энтропия – мера беспорядка – в изолированной системе, такой как Вселенная, со временем только растёт. Считается, что ранняя Вселенная находилась в состоянии с низкой энтропией, которая с тех пор неуклонно увеличивается. Однако одновременно с этим материя организовывалась во всё более сложные структуры. Как рост сложности сочетается с ростом беспорядка, оставалось нерешённой проблемой космологии.
В статье, опубликованной в Physical Review D, Бьянкони показывает, что теория GfE позволяет обойти это противоречие. Ключевое различие состоит в том, что хотя общая энтропия Вселенной растёт, её плотность – количество энтропии на единицу объёма – снижается из-за расширения пространства. Именно это локальное снижение энтропии, по мнению автора, и может создавать условия для формирования упорядоченных структур, не нарушая глобального закона.
Теория «гравитации из энтропии» рассматривает гравитацию не как фундаментальную силу, а как эмерджентное свойство, которое возникает из микроскопических характеристик геометрии пространства-времени и связано с информацией и энтропией на квантовом уровне. Этот подход развивает идеи Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга, которые в 1970-х годах установили связь между чёрными дырами, гравитацией и термодинамикой.
При низких энергиях уравнения GfE согласуются с общей теорией относительности, однако в экстремальных условиях их предсказания расходятся. В частности, новая теория предполагает, что тёмная энергия не постоянна, а меняется со временем. Такое динамическое поведение в будущем можно будет проверить с помощью космологических наблюдений. Исследование показывает, что в рамках GfE тёмная энергия выступает в роли внутренней энергии, а локальная энтропия на единицу объёма описывается так называемой квантовой геометрической относительной энтропией (QGRE).
Работа Бьянкони находится на ранней теоретической стадии, однако она подтверждает гипотезу о том, что в основе гравитации и пространства-времени могут лежать информационные и термодинамические принципы. По словам автора, эти результаты «могут открыть новые пути для исследования давней проблемы согласования космологической необратимости, возникновения сложных структур и, в конечном счёте, жизни с фундаментальной гравитационной динамикой».
