宇宙は約140億年近く膨張し続けており、それに伴って無秩序の尺度である総エントロピーも増大しています。これは自然なことのように思えます。熱力学第二法則によれば、孤立系におけるエントロピーは減少しません。しかし、Physical Review Dに掲載された新しい研究で、ロンドン・クイーン・メアリー大学の物理学者・数学者であるジネストラ・ビアンコーニは、この問題に新たな視点を提供しています。彼女の「Gravity from Entropy」（GfE）理論によれば、単位体積あたりのエントロピーは減少することさえあり、これは宇宙構造の出現への予期せぬ道を開くものです。
ビアンコーニのアイデアは、エントロピーの作用から重力を導き出すことです。彼女は時空と物質を対等に扱い、幾何学的量子相対エントロピー（Geometric Quantum Relative Entropy, GQRE）を使用します。これは、実際の時空の計量と「物質によって誘発される計量」との差の尺度です。ここでは、重力は基本的な力としてではなく、幾何学と物質との間の情報相互作用の結果として現れます。低エネルギーおよび低曲率の極限では、この理論はスムーズに古典的なアインシュタイン方程式に移行しますが、重要なニュアンスが加わります。
最近、ビアンコーニと共同研究者たちは、このモデルの熱力学をさらに深く掘り下げました。彼らは、GfEの枠組み内の宇宙が熱的な記述を許容することを示しました。局所的に温度と圧力が生じ、これらは熱力学第一法則に従います。そのような宇宙の総エントロピーは時間とともに減少しないため、熱力学第二法則と完全に一致しています。同時に、単位体積あたりのGQREの相対エントロピーは増加しません。これは相対的な量としては自然なことです。しかし、膨張する宇宙の総体積は増加しており、これがグローバルなエントロピーの増加と、銀河、恒星、複雑な構造といった局所的な秩序の出現との間の調和を可能にします。
初期の宇宙を想像してみてください。それは熱く、密度が高く、ほぼ均一でした。膨張するにつれて、空間は引き伸ばされ、温度は低下します。古典的な描像では、共動する体積あたりのエントロピーは（気体の断熱膨張のように）ほぼ一定に保たれますが、総エントロピーは星やブラックホールの形成、散逸といった不可逆的なプロセスによって増加します。新しい理論は、重力相互作用自体がエントロピー的な性質を持っていると付け加えています。これは、補助的なG場に依存し、正のままである動的な有効ダークエネルギー項を与え、パラメータの調整なしに宇宙の加速膨張を説明するのに役立ちます。
この理論はまだ新しく、量子化や観測との比較を含むさらなる検証が必要です。しかし、それはすでに熱力学、重力、宇宙論の間にエレガントな架け橋を提供しています。エントロピーを単なる熱的死への避けられない道として見るのではなく、宇宙が全体的な無秩序の増大の中で「自己組織化」することを可能にするメカニズムとして発見しています。
ビアンコーニの研究は、情報、幾何学、物理学がいかに深く絡み合っているかを思い出させてくれます。おそらく、エントロピーを通して、私たちはいつか時空がなぜそのように振る舞い、そうでないのか、そしてビッグバンの混沌からどのようにして私たちが観察する複雑さが生まれるのかを理解するでしょう。これはアインシュタインを否定する革命ではなく、古い問題に新たな視点から光を当てることを促す、アイデアの自然な発展です。そして、天文学者が遠方の銀河を研究する一方で、理論物理学者たちは重力を構成する情報的な「構成要素」を探し続けています。
