Vũ trụ đã giãn nở trong gần 14 tỷ năm, và cùng với đó, tổng entropy của nó — thước đo sự hỗn loạn — cũng tăng lên. Điều này có vẻ tự nhiên: định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng entropy trong một hệ cô lập không giảm. Tuy nhiên, trong một công trình mới được công bố trên tạp chí Physical Review D, nhà vật lý và toán học Ginestera Bianconi từ Đại học Queen Mary ở London đưa ra một góc nhìn mới về vấn đề này. Theo lý thuyết “Gravity from Entropy” (GfE) của bà, entropy trên một đơn vị thể tích thậm chí có thể giảm, mở ra một con đường bất ngờ cho sự xuất hiện của các cấu trúc vũ trụ.
Ý tưởng của Bianconi là suy ra lực hấp dẫn từ hành động entropy. Bà xem xét không-thời gian và vật chất trên cơ sở bình đẳng, sử dụng entropy tương đối lượng tử hình học (Geometric Quantum Relative Entropy, GQRE). Đây là thước đo sự khác biệt giữa hình học của không-thời gian thực và “hình học được gợi ra bởi vật chất”. Lực hấp dẫn ở đây không xuất hiện như một lực cơ bản, mà là hệ quả của tương tác thông tin giữa hình học và vật chất. Trong giới hạn năng lượng thấp và độ cong nhỏ, lý thuyết chuyển đổi một cách trôi chảy thành các phương trình Einstein cổ điển, nhưng bổ sung thêm những sắc thái quan trọng.
Gần đây, Bianconi và các đồng nghiệp đã đi sâu vào nhiệt động lực học của mô hình này. Họ chỉ ra rằng các vũ trụ trong khuôn khổ GfE cho phép mô tả nhiệt động lực học: các nhiệt độ và áp suất cục bộ xuất hiện, tuân theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Tổng entropy của các vũ trụ như vậy không giảm theo thời gian — hoàn toàn phù hợp với định luật thứ hai. Đồng thời, entropy tương đối GQRE trên một đơn vị thể tích không tăng, điều này tự nhiên đối với một đại lượng tương đối. Tuy nhiên, tổng thể tích của Vũ trụ đang giãn nở lại tăng lên, và điều này cho phép dung hòa sự gia tăng entropy toàn cục với sự xuất hiện cục bộ của trật tự: các thiên hà, các ngôi sao, các cấu trúc phức tạp.
Hãy tưởng tượng Vũ trụ sơ khai — nóng, đặc, gần như đồng nhất. Khi giãn nở, không gian bị kéo dãn, nhiệt độ giảm xuống. Trong bức tranh cổ điển, entropy trên một thể tích đồng hành vẫn xấp xỉ không đổi (như trong sự giãn nở đoạn nhiệt của khí), nhưng tổng thể tích — lại tăng lên do các quá trình không thể đảo ngược: hình thành sao, lỗ đen, tiêu tán. Lý thuyết mới bổ sung rằng bản thân tương tác hấp dẫn mang bản chất entropy. Điều này mang lại một thành phần năng lượng tối hiệu dụng động lực học, phụ thuộc vào trường G phụ trợ và luôn dương, giúp giải thích sự giãn nở tăng tốc của Vũ trụ mà không cần điều chỉnh tham số.
Lý thuyết này còn non trẻ và cần được kiểm chứng thêm, bao gồm cả việc lượng tử hóa và so sánh với các quan sát. Nhưng nó đã cung cấp một cầu nối thanh lịch giữa nhiệt động lực học, lực hấp dẫn và vũ trụ học. Thay vì xem entropy chỉ là con đường tất yếu dẫn đến cái chết nhiệt, chúng ta phát hiện ra trong nó một cơ chế cho phép Vũ trụ “tự tổ chức” trên nền tảng sự gia tăng chung của sự hỗn loạn.
Công trình của Bianconi gợi nhớ về mức độ đan xen sâu sắc giữa thông tin, hình học và vật lý. Có lẽ, chính qua entropy, chúng ta cuối cùng sẽ hiểu tại sao không-thời gian lại hoạt động theo cách này chứ không phải cách khác, và làm thế nào từ sự hỗn loạn của Vụ Nổ Lớn lại sinh ra sự phức tạp mà chúng ta quan sát được. Đây không phải là một cuộc cách mạng bác bỏ Einstein, mà là sự phát triển tự nhiên của các ý tưởng, mời gọi chúng ta nhìn nhận những câu hỏi cũ dưới một góc độ mới. Và trong khi các nhà thiên văn nghiên cứu các thiên hà xa xôi, các nhà lý thuyết tiếp tục tìm kiếm những “viên gạch” thông tin tạo nên lực hấp dẫn.
