Фізики з Лейпцига вивели знамениті рівняння Ейнштейна з квантової інформації. Можливо, гравітація й сам простір не фундаментальні, а це лише те, як інформація квантового поля виглядає «ззовні»
Яблуко падає на землю, Місяць обертається навколо Землі, світло викривляється поблизу зірок. Понад століття тому Альберт Ейнштейн пояснив, чому так відбувається: маса й енергія викривляють простір-час, а все інше просто рухається цими викривленнями. Його рівняння працюють бездоганно - від орбіт планет до чорних дір. Але вони не відповідають на глибше питання: чому простір взагалі здатен викривлятися? Що він таке насправді? Нова робота фізиків-теоретиків Філіппа Дорау та Альберта Муха з Інституту теоретичної фізики Лейпцизького університету, опублікована в Physical Review Letters - одному з найавторитетніших фізичних журналів світу, пропонує приголомшливу відповідь. Рівняння Ейнштейна можна вивести з квантової інформації - тієї, що записана в квантовому полі, невидимій основі, яка пронизує весь Всесвіт.
У цієї ідеї є знаменита передісторія. У 1995 році американський фізик Тед Якобсон показав, що рівняння Ейнштейна можна отримати із законів термодинаміки - науки про тепло й ентропію. Гравітація в його підході схожа на тиск газу: тиск не існує як окрема сила, він виникає з руху незліченних молекул. Так само й гравітація може бути не фундаментальною силою, а колективним ефектом чогось глибшого - процесів, що відбуваються в квантовому полі. Але в підході Якобсона була слабкість: звичайна ентропія в квантовій теорії поля виявляється нескінченною, і довести його міркування до строгої квантової форми довго не вдавалося.
Дорау і Мух знайшли обхідний шлях. Замість звичайної ентропії вони використали так звану квантову відносну ентропію - міру того, наскільки один стан квантового поля відрізняється від іншого, тобто скільки квантової інформації їх розділяє. Ця величина в квантовій теорії поля завжди скінченна. Фізики порівняли два стани квантового поля. Перший - вакуум, його основний стан. У фізиці це зовсім не порожнеча: частинок у ньому немає, але квантове поле безперервно тремтить флуктуаціями, а всі його області пов'язані між собою невидимою мережею квантової заплутаності. Другий - те саме поле, в якому з'явилася матерія або енергія. Виявилося, що «відмінність» цих двох станів точно дорівнює потоку енергії квантового поля через горизонт, уявну межу в просторі-часі. А за знаменитим законом Бекенштейна–Гокінга ентропія горизонту - тобто кількість інформації, яку він може в собі зберігати, пропорційна його площі. Пов'язавши одне з одним, автори отримали рівняння Ейнштейна, що описують, як квантова матерія викривляє простір-час.
Головний висновок роботи звучить майже філософськи: викривлення простору-часу буквально випливає з того, як квантова інформація зберігається в квантовому полі. Коли в ньому з'являється матерія, візерунок заплутаності змінюється, і в полі залишається свого роду інформаційний слід. Саме цей слід ми й відчуваємо як гравітацію. Отже, гравітація може виявитися не фундаментальною силою природи, а вторинним явищем. І разом із нею - сам простір. Те, що ми сприймаємо як геометрію, вигини й притягання, це те, як квантова інформація виглядає «ззовні». Подібно до того як картинка на екрані лише зовнішній вигляд програмного коду, який її малює, простір може бути зовнішнім виглядом інформації, записаної в квантовому полі. Воно викривляється не тому, що маса продавлює його, як куля натягнуту тканину, а тому, що змінилася сама квантова інформація. У попередніх матеріалах нашої серії «Код реальності» ми розповідали, як квантова інформація може будувати геометрію простору й народжувати матерію. Робота з Лейпцига робить наступний крок: з квантової інформації, схоже, народжується й сама гравітація.
Важливо розуміти межі цього результату. Це не остаточна квантова теорія гравітації, головне невирішене завдання фізики поки залишається невирішеним. Автори працюють у так званому напівкласичному наближенні: квантові поля розглядаються на тлі звичайного, неквантового простору-часу. Розрахунок виконано для певного класу станів поля й спирається на закон Бекенштейна–Гокінга як на вихідне припущення. Самі фізики говорять про свою роботу як про строгий аргумент, а не про завершену теорію, і планують розширити підхід до повноцінної квантової гравітації. Але напрям уже очевидний. Можливо, яблуко падає не тому, що Земля його притягує. А тому, що так розподілена інформація в квантовому полі, з якого зітканий Всесвіт.
