Всесвіт розширюється вже майже 14 мільярдів років, і разом з цим зростає її загальна ентропія — міра безладу. Це здається природним: другий закон термодинаміки стверджує, що ентропія в ізольованій системі не зменшується. Однак у новій роботі, опублікованій в Physical Review D, фізик і математик Джинестра Б'янконі з Queen Mary University of London пропонує новий погляд на цю проблему. Згідно з її теорією «Gravity from Entropy» (GfE), ентропія на одиницю об'єму може навіть падати, що відкриває несподіваний шлях до виникнення космічних структур.
Ідея Б'янконі полягає в тому, щоб вивести гравітацію з ентропійної дії. Вона розглядає простір-час і матерію на рівних підставах, використовуючи геометричну квантову відносну ентропію (Geometric Quantum Relative Entropy, GQRE). Це міра різниці між метрикою реального простору-часу та «метрикою, індукованою матерією». Гравітація тут виникає не як фундаментальна сила, а як наслідок інформаційної взаємодії між геометрією та речовиною. У границі низьких енергій і малих кривин теорія плавно переходить у класичні рівняння Ейнштейна, але додає важливі нюанси.
Нещодавно Б'янконі та колеги заглибилися в термодинаміку цієї моделі. Вони показали, що всесвіти в рамках GfE допускають теплове опис: локально виникають температури та тиски, що підпорядковуються першому закону термодинаміки. Загальна ентропія таких всесвітів не зменшується з часом — у повній згоді з другим законом. При цьому відносна ентропія GQRE на одиницю об'єму не зростає, що природно для відносної величини. А ось загальний об'єм всесвіту, що розширюється, збільшується, і це дозволяє примирити глобальне зростання ентропії з локальним появою порядку: галактик, зірок, складних структур.
Уявіть ранній Всесвіт — гарячий, щільний, майже однорідний. З розширенням простір розтягується, температура падає. У класичній картині ентропія на комірний об'єм залишається приблизно постійною (як при адіабатичному розширенні газу), але загальна — зростає за рахунок незворотних процесів: формування зірок, чорних дір, дисипації. Нова теорія додає, що сама гравітаційна взаємодія має ентропійну природу. Це дає динамічний ефективний член темної енергії, який залежить від допоміжного G-поля і залишається позитивним, допомагаючи пояснити прискорене розширення Всесвіту без підгонки параметрів.
Теорія ще молода і потребує подальших перевірок, зокрема квантування та порівняння з спостереженнями. Але вона вже пропонує витончений міст між термодинамікою, гравітацією та космологією. Замість того, щоб бачити в ентропії лише неминучий шлях до теплової смерті, ми виявляємо в ній механізм, який дозволяє Всесвіту «самоорганізовуватися» на тлі загального зростання безладу.
Робота Б'янконі нагадує, наскільки глибоко переплетені інформація, геометрія та фізика. Можливо, саме через ентропію ми одного дня зрозуміємо, чому простір-час поводиться саме так, а не інакше, і як з хаосу Великого Вибуху народжується спостережувана нами складність. Це не революція, що спростовує Ейнштейна, а природний розвиток ідей, який запрошує подивитися на старі питання під новим кутом. І поки астрономи вивчають далекі галактики, теоретики продовжують шукати ті самі інформаційні «цеглинки», з яких побудована гравітація.
