Fizycy z Lipska wyprowadzili słynne równania Einsteina z informacji kwantowej. Być może grawitacja i sama przestrzeń nie są fundamentalne, lecz stanowią jedynie to, jak informacja pola kwantowego wygląda „z zewnątrz”
Jabłko spada na ziemię, Księżyc krąży wokół Ziemi, światło ugina się w pobliżu gwiazd. Ponad wiek temu Albert Einstein wyjaśnił, dlaczego tak się dzieje: masa i energia zakrzywiają czasoprzestrzeń, a wszystko inne po prostu porusza się po tych zakrzywieniach. Jego równania działają bezbłędnie – od orbit planet po czarne dziury. Nie odpowiadają jednak na głębsze pytanie: dlaczego przestrzeń w ogóle może się zakrzywiać? Czym jest naprawdę? Nowa praca fizyków teoretyków Philippa Doraua i Alberta Mucha z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Lipskiego, opublikowana w Physical Review Letters – jednym z najbardziej renomowanych czasopism fizycznych na świecie – proponuje zdumiewającą odpowiedź. Równania Einsteina można wyprowadzić z informacji kwantowej – tej zapisanej w polu kwantowym, niewidzialnym fundamencie przenikającym cały Wszechświat.
Ta idea ma słynną prehistorię. W 1995 roku amerykański fizyk Ted Jacobson pokazał, że równania Einsteina można otrzymać z praw termodynamiki – nauki o cieple i entropii. Grawitacja w jego ujęciu przypomina ciśnienie gazu: ciśnienie nie istnieje jako odrębna siła, powstaje z ruchu niezliczonych cząsteczek. Podobnie grawitacja może nie być fundamentalną siłą, lecz zbiorowym efektem czegoś głębszego – procesów zachodzących w polu kwantowym. Podejście Jacobsona miało jednak słabość: zwykła entropia w kwantowej teorii pola okazuje się nieskończona, a doprowadzenie jego rozumowania do ścisłej postaci kwantowej długo się nie udawało.
Dorau i Much znaleźli obejście. Zamiast zwykłej entropii użyli tak zwanej kwantowej entropii względnej – miary tego, na ile jeden stan pola kwantowego różni się od drugiego, czyli ile informacji kwantowej je dzieli. Ta wielkość w kwantowej teorii pola jest zawsze skończona. Fizycy porównali dwa stany pola kwantowego. Pierwszy – próżnię, jego stan podstawowy. W fizyce to wcale nie pustka: nie ma w nim cząstek, ale pole kwantowe nieustannie drży fluktuacjami, a wszystkie jego obszary są połączone niewidzialną siecią splątania kwantowego. Drugi – to samo pole, w którym pojawiła się materia lub energia. Okazało się, że „odróżnialność” tych dwóch stanów jest dokładnie równa strumieniowi energii pola kwantowego przez horyzont, wyobrażoną granicę w czasoprzestrzeni. A zgodnie ze słynnym prawem Bekensteina–Hawkinga entropia horyzontu – czyli ilość informacji, którą może on w sobie przechowywać – jest proporcjonalna do jego powierzchni. Łącząc jedno z drugim, autorzy otrzymali równania Einsteina opisujące, jak materia kwantowa zakrzywia czasoprzestrzeń.
Główny wniosek pracy brzmi niemal filozoficznie: zakrzywienie czasoprzestrzeni dosłownie wynika ze sposobu, w jaki informacja kwantowa jest przechowywana w polu kwantowym. Gdy pojawia się w nim materia, wzór splątania się zmienia i w polu pozostaje swoisty ślad informacyjny. Właśnie ten ślad odczuwamy jako grawitację. Zatem grawitacja może okazać się nie fundamentalną siłą przyrody, lecz zjawiskiem wtórnym. A wraz z nią i sama przestrzeń. To, co postrzegamy jako geometrię, zakrzywienia i przyciąganie, jest tym, jak informacja kwantowa wygląda „z zewnątrz”. Podobnie jak obraz na ekranie jest jedynie zewnętrznym wyglądem kodu programistycznego, który go rysuje, przestrzeń może być zewnętrznym wyglądem informacji zapisanej w polu kwantowym. Zakrzywia się nie dlatego, że masa ją wgniata, jak kula napiętą tkaninę, lecz dlatego, że zmieniła się sama informacja kwantowa. W poprzednich materiałach naszej serii „Kod rzeczywistości” opowiadaliśmy, jak informacja kwantowa może budować geometrię przestrzeni i rodzić materię. Praca z Lipska czyni następny krok: z informacji kwantowej, jak się wydaje, rodzi się także sama grawitacja.
Ważne jest, by rozumieć granice tego wyniku. To nie jest ostateczna kwantowa teoria grawitacji, główny nierozwiązany problem fizyki wciąż pozostaje nierozwiązany. Autorzy pracują w tak zwanym przybliżeniu półklasycznym: pola kwantowe rozpatruje się na tle zwykłej, niekwantowej czasoprzestrzeni. Obliczenie wykonano dla określonej klasy stanów pola i opiera się ono na prawie Bekensteina–Hawkinga jako na założeniu wyjściowym. Sami fizycy mówią o swojej pracy jako o ścisłym argumencie, a nie o ukończonej teorii, i planują rozszerzyć podejście do pełnej grawitacji kwantowej. Kierunek jest jednak już oczywisty. Być może jabłko spada nie dlatego, że Ziemia je przyciąga. Lecz dlatego, że tak rozłożona jest informacja w polu kwantowym, z którego utkany jest Wszechświat.
