Wszechświat rozszerza się od prawie 14 miliardów lat, a wraz z nim rośnie jego całkowita entropia – miara nieporządku. Wydaje się to naturalne: druga zasada termodynamiki mówi, że entropia w układzie izolowanym nie maleje. Jednak w nowej pracy opublikowanej w Physical Review D, fizyk i matematyk Ginestra Bianconi z Queen Mary University of London proponuje nowe spojrzenie na ten problem. Zgodnie z jej teorią „Gravity from Entropy” (GfE), entropia na jednostkę objętości może nawet spadać, co otwiera nieoczekiwaną ścieżkę do powstania struktur kosmicznych.
Idea Bianconi polega na wyprowadzeniu grawitacji z działania entropicznego. Rozważa ona czasoprzestrzeń i materię na równych zasadach, używając Geometrycznej Kwantowej Entropii Względnej (Geometric Quantum Relative Entropy, GQRE). Jest to miara różnicy między metryką rzeczywistej czasoprzestrzeni a „metryką indukowaną przez materię”. Grawitacja wyłania się tu nie jako fundamentalna siła, ale jako konsekwencja oddziaływania informacyjnego między geometrią a materią. W granicy niskich energii i małych krzywizn teoria płynnie przechodzi w klasyczne równania Einsteina, ale dodaje ważne niuanse.
Niedawno Bianconi i jej współpracownicy zgłębili termodynamikę tego modelu. Wykazali, że wszechświaty w ramach GfE dopuszczają opis termiczny: lokalnie powstają temperatury i ciśnienia, podlegające pierwszej zasadzie termodynamiki. Całkowita entropia takich wszechświatów nie maleje w czasie – w pełnej zgodzie z drugą zasadą. Jednocześnie względna entropia GQRE na jednostkę objętości nie rośnie, co jest naturalne dla wielkości względnej. Natomiast ogólna objętość rozszerzającego się Wszechświata rośnie, co pozwala pogodzić globalny wzrost entropii z lokalnym pojawieniem się porządku: galaktyk, gwiazd, złożonych struktur.
Wyobraźmy sobie wczesny Wszechświat – gorący, gęsty, prawie jednorodny. Wraz z rozszerzaniem się przestrzeń się rozciąga, temperatura spada. W klasycznym ujęciu entropia na objętość komory pozostaje mniej więcej stała (jak przy adiabatycznym rozszerzaniu gazu), ale całkowita – rośnie z powodu procesów nieodwracalnych: formowania się gwiazd, czarnych dziur, dysypacji. Nowa teoria dodaje, że samo oddziaływanie grawitacyjne ma charakter entropiczny. Daje to dynamiczny efektywny człon ciemnej energii, zależny od pomocniczego G-pola i pozostający dodatni, co pomaga wyjaśnić przyspieszone rozszerzanie się Wszechświata bez dopasowywania parametrów.
Teoria jest jeszcze młoda i wymaga dalszych sprawdzeń, w tym kwantyzacji i porównania z obserwacjami. Ale już oferuje elegancki most między termodynamiką, grawitacją i kosmologią. Zamiast postrzegać entropię jedynie jako nieuniknioną drogę do śmierci cieplnej, odkrywamy w niej mechanizm, który pozwala Wszechświatowi „samoorganizować się” na tle ogólnego wzrostu nieporządku.
Praca Bianconi przypomina, jak głęboko przeplatają się informacja, geometria i fizyka. Być może właśnie przez entropię pewnego dnia zrozumiemy, dlaczego czasoprzestrzeń zachowuje się właśnie tak, a nie inaczej, i jak z chaosu Wielkiego Wybuchu rodzi się obserwowana przez nas złożoność. To nie rewolucja podważająca Einsteina, a naturalny rozwój idei, który zaprasza do spojrzenia na stare pytania pod nowym kątem. I podczas gdy astronomowie badają odległe galaktyki, teoretycy nadal poszukują tych informacyjnych „cegiełek”, z których zbudowana jest grawitacja.
