Các nhà vật lý ở Leipzig đã suy ra những phương trình nổi tiếng của Einstein từ thông tin lượng tử. Có thể hấp dẫn và bản thân không gian không phải là những thứ nền tảng, mà chỉ là cách thông tin của trường lượng tử hiện ra «từ bên ngoài»
Quả táo rơi xuống đất, Mặt Trăng quay quanh Trái Đất, ánh sáng bị bẻ cong gần các ngôi sao. Hơn một thế kỷ trước, Albert Einstein đã giải thích vì sao điều đó xảy ra: khối lượng và năng lượng làm cong không-thời gian, còn mọi thứ khác chỉ đơn giản chuyển động theo những đường cong ấy. Các phương trình của ông vận hành hoàn hảo - từ quỹ đạo các hành tinh đến lỗ đen. Nhưng chúng không trả lời một câu hỏi sâu xa hơn: vì sao không gian lại có khả năng bị cong? Nó thực sự là gì? Công trình mới của các nhà vật lý lý thuyết Philipp Dorau và Albert Much từ Viện Vật lý Lý thuyết thuộc Đại học Leipzig, công bố trên Physical Review Letters - một trong những tạp chí vật lý uy tín nhất thế giới, đưa ra một câu trả lời đáng kinh ngạc. Có thể suy ra các phương trình Einstein từ thông tin lượng tử - thứ thông tin được ghi trong trường lượng tử, nền tảng vô hình xuyên suốt toàn bộ Vũ trụ.
Ý tưởng này có một tiền sử nổi tiếng. Năm 1995, nhà vật lý người Mỹ Ted Jacobson đã chỉ ra rằng có thể thu được các phương trình Einstein từ các định luật nhiệt động lực học - ngành khoa học về nhiệt và entropy. Trong cách tiếp cận của ông, hấp dẫn giống như áp suất của chất khí: áp suất không tồn tại như một lực riêng biệt, nó nảy sinh từ chuyển động của vô số phân tử. Tương tự, hấp dẫn cũng có thể không phải là một lực nền tảng, mà là hiệu ứng tập thể của một thứ gì đó sâu xa hơn - những quá trình diễn ra trong trường lượng tử. Nhưng cách tiếp cận của Jacobson có một điểm yếu: entropy thông thường trong lý thuyết trường lượng tử hóa ra lại là vô hạn, và trong một thời gian dài người ta không thể đưa lập luận của ông về dạng lượng tử chặt chẽ.
Dorau và Much đã tìm ra một lối vòng. Thay vì entropy thông thường, họ sử dụng cái gọi là entropy tương đối lượng tử - thước đo mức độ một trạng thái của trường lượng tử khác biệt với một trạng thái khác, tức là lượng thông tin lượng tử phân tách chúng. Đại lượng này trong lý thuyết trường lượng tử luôn hữu hạn. Các nhà vật lý đã so sánh hai trạng thái của trường lượng tử. Thứ nhất là chân không, trạng thái cơ bản của nó. Trong vật lý, đây hoàn toàn không phải là sự trống rỗng: không có hạt trong đó, nhưng trường lượng tử không ngừng rung động với những thăng giáng, và mọi vùng của nó liên kết với nhau bằng một mạng lưới rối lượng tử vô hình. Thứ hai là chính trường đó, nhưng trong đó đã xuất hiện vật chất hoặc năng lượng. Hóa ra «mức độ khác biệt» của hai trạng thái này đúng bằng dòng năng lượng của trường lượng tử đi qua chân trời, một biên giới tưởng tượng trong không-thời gian. Và theo định luật nổi tiếng Bekenstein–Hawking, entropy của chân trời - tức là lượng thông tin mà nó có thể lưu giữ bên trong - tỷ lệ với diện tích của nó. Kết nối cái này với cái kia, các tác giả đã thu được các phương trình Einstein mô tả cách vật chất lượng tử làm cong không-thời gian.
Kết luận chính của công trình nghe gần như mang tính triết học: độ cong của không-thời gian đúng là bắt nguồn từ cách thông tin lượng tử được lưu giữ trong trường lượng tử. Khi vật chất xuất hiện trong đó, hình mẫu của sự rối thay đổi, và trong trường còn lại một loại dấu vết thông tin. Chính dấu vết này là thứ chúng ta cảm nhận như hấp dẫn. Vậy nghĩa là hấp dẫn có thể hóa ra không phải là một lực nền tảng của tự nhiên, mà là một hiện tượng thứ cấp. Và cùng với nó là bản thân không gian. Thứ mà chúng ta cảm nhận như hình học, những đường cong và sự hút, chính là cách thông tin lượng tử hiện ra «từ bên ngoài». Cũng giống như hình ảnh trên màn hình chỉ là vẻ ngoài của mã lập trình vẽ nên nó, không gian có thể là vẻ ngoài của thông tin được ghi trong trường lượng tử. Nó cong không phải vì khối lượng ép nó xuống như quả bóng ép một tấm vải căng, mà vì bản thân thông tin lượng tử đã thay đổi. Trong các bài trước của loạt bài «Mã của thực tại», chúng tôi đã kể về cách thông tin lượng tử có thể kiến tạo hình học của không gian và sinh ra vật chất. Công trình từ Leipzig thực hiện bước tiếp theo: có vẻ như chính hấp dẫn cũng được sinh ra từ thông tin lượng tử.
Điều quan trọng là phải hiểu ranh giới của kết quả này. Đây không phải là lý thuyết lượng tử cuối cùng của hấp dẫn, bài toán chưa được giải quyết lớn nhất của vật lý vẫn còn chưa được giải quyết. Các tác giả làm việc trong cái gọi là xấp xỉ bán cổ điển: các trường lượng tử được xét trên nền của không-thời gian thông thường, phi lượng tử. Phép tính được thực hiện cho một lớp trạng thái trường nhất định và dựa vào định luật Bekenstein–Hawking như một giả định ban đầu. Bản thân các nhà vật lý nói về công trình của mình như một lập luận chặt chẽ, chứ không phải một lý thuyết hoàn chỉnh, và dự định mở rộng cách tiếp cận đến một lý thuyết hấp dẫn lượng tử đầy đủ. Nhưng hướng đi đã rõ ràng. Có thể quả táo rơi không phải vì Trái Đất hút nó. Mà vì thông tin trong trường lượng tử, thứ dệt nên Vũ trụ, được phân bố như vậy.
