Das Universum dehnt sich seit fast 14 Milliarden Jahren aus, und mit ihm wächst seine Gesamtentropie – ein Maß für Unordnung. Dies erscheint natürlich: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem isolierten System nicht abnimmt. In einer neuen Arbeit, die in Physical Review D veröffentlicht wurde, bietet die Physikerin und Mathematikerin Giuseppina Bianconi von der Queen Mary University of London einen neuen Blickwinkel auf dieses Problem. Gemäß ihrer Theorie „Gravity from Entropy“ (GfE) kann die Entropie pro Volumeneinheit sogar abnehmen, was einen unerwarteten Weg zur Entstehung kosmischer Strukturen eröffnet.
Bianconis Idee besteht darin, Gravitation aus entropischen Wechselwirkungen abzuleiten. Sie betrachtet Raumzeit und Materie gleichberechtigt unter Verwendung der geometrischen quantenrelativen Entropie (Geometric Quantum Relative Entropy, GQRE). Dies ist ein Maß für die Differenz zwischen der Metrik der realen Raumzeit und einer „von der Materie induzierten Metrik“. Gravitation entsteht hier nicht als fundamentale Kraft, sondern als Folge der Informationswechselwirkung zwischen Geometrie und Materie. Im Grenzfall niedriger Energien und kleiner Krümmungen geht die Theorie reibungslos in die klassischen Einsteinschen Gleichungen über, fügt jedoch wichtige Nuancen hinzu.
Kürzlich haben Bianconi und Kollegen die Thermodynamik dieses Modells vertieft. Sie zeigten, dass Universen im Rahmen von GfE eine thermische Beschreibung zulassen: Lokal entstehen Temperaturen und Drücke, die dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gehorchen. Die Gesamtentropie solcher Universen nimmt mit der Zeit nicht ab – in völliger Übereinstimmung mit dem zweiten Hauptsatz. Gleichzeitig nimmt die relative Entropie GQRE pro Volumeneinheit nicht zu, was für eine relative Größe natürlich ist. Das Gesamtvolumen des expandierenden Universums nimmt jedoch zu, und dies ermöglicht die Vereinbarkeit des globalen Entropiewachstums mit der lokalen Entstehung von Ordnung: Galaxien, Sterne, komplexe Strukturen.
Stellen Sie sich das frühe Universum vor – heiß, dicht, fast homogen. Mit der Ausdehnung dehnt sich der Raum aus, die Temperatur sinkt. Im klassischen Bild bleibt die Entropie pro komoviertem Volumen ungefähr konstant (wie bei der adiabatischen Ausdehnung eines Gases), aber die Gesamtentropie wächst durch irreversible Prozesse: Sternentstehung, Schwarze Löcher, Dissipation. Die neue Theorie fügt hinzu, dass die Gravitationswechselwirkung selbst entropischer Natur ist. Dies liefert einen dynamischen effektiven Term für Dunkle Energie, der vom Hilfsfeld G abhängt und positiv bleibt, was hilft, die beschleunigte Expansion des Universums ohne Parameteranpassung zu erklären.
Die Theorie ist noch jung und erfordert weitere Überprüfungen, einschließlich Quantisierung und Vergleich mit Beobachtungen. Aber sie bietet bereits eine elegante Brücke zwischen Thermodynamik, Gravitation und Kosmologie. Anstatt in der Entropie nur den unausweichlichen Weg zum Wärmetod zu sehen, entdecken wir darin einen Mechanismus, der es dem Universum ermöglicht, sich vor dem Hintergrund des allgemeinen Wachstums der Unordnung „selbst zu organisieren“.
Bianconis Arbeit erinnert daran, wie tief Information, Geometrie und Physik miteinander verknüpft sind. Vielleicht werden wir durch die Entropie eines Tages verstehen, warum sich die Raumzeit genau so und nicht anders verhält und wie aus dem Chaos des Urknalls die Komplexität entsteht, die wir beobachten. Dies ist keine Revolution, die Einstein widerlegt, sondern eine natürliche Weiterentwicklung von Ideen, die uns einlädt, alte Fragen aus einem neuen Blickwinkel zu betrachten. Und während Astronomen ferne Galaxien untersuchen, suchen Theoretiker weiter nach jenen Informationsbausteinen, aus denen die Gravitation aufgebaut ist.
