Νέα μελέτη προτείνει λύση σε ένα θεμελιώδες παράδοξο του σύμπαντος: Η εξήγηση για τη σχέση της βαρύτητας με τον χωροχρόνο

  Η κατανόηση της εξέλιξης του κόσμου προσκρούει συχνά σε ένα από τα μεγαλύτερα παράδοξα της σύγχρονης επιστήμης: Πώς είναι δυνατόν η κοσμι...

 

Η κατανόηση της εξέλιξης του κόσμου προσκρούει συχνά σε ένα από τα μεγαλύτερα παράδοξα της σύγχρονης επιστήμης: Πώς είναι δυνατόν η κοσμική δομή και η ζωή να αναπτύσσονται, όταν οι βασικοί κανόνες της θερμοδυναμικής επιβάλλουν τη συνεχή αύξηση της εντροπίας;

Μια νέα μαθηματική μελέτη έρχεται να ρίξει φως σε αυτό το σκοτεινό σημείο, προτείνοντας μια ριζικά νέα προσέγγιση για τη σχέση της βαρύτητας με τον χωροχρόνο.

Η νέα έρευνα εξετάζει πώς η βαρύτητα μπορεί να εναρμονιστεί με τη θερμοδυναμική μέσω της θεωρίας της «Βαρύτητας από Εντροπία».

Οι γαλαξίες, τα άστρα, οι πλανήτες και η ζωή εμφανίστηκαν καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και γινόταν πιο περίπλοκο.

Ωστόσο, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ορίζει ότι η συνολική εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος πρέπει να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, δημιουργώντας ένα θεμελιώδες ερώτημα: πώς μπορεί η αυξανόμενη κοσμική οργάνωση να συνυπάρχει με έναν νόμο που συνήθως συνδέεται με τη διευρυνόμενη αταξία;

Η καθηγήτρια του Πανεπιστημίου Queen Mary του Λονδίνου, Τζινέστρα Μπιανκόνι (Ginestra Bianconi). Πηγή: Queen Mary University of London

Ο Αϊνστάιν είχε δηλώσει το περίφημο:

«Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής κατέχει μια μοναδική θέση ανάμεσα στους νόμους της Φύσης», εκφράζοντας την πεποίθησή του ότι συγκαταλέγεται στις πιο θεμελιώδεις και ανθεκτικές αρχές της φυσικής.

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, η συνολική εντροπία μέσα σε ένα απομονωμένο σύστημα τείνει να αυξάνεται καθώς ο χρόνος κυλά.

Η Κοσμολογία, επομένως, βρίσκεται αντιμέτωπη με ένα επίμονο αίνιγμα.

Το πρώιμο Σύμπαν θεωρείται γενικά ότι ξεκίνησε από μια κατάσταση χαμηλής εντροπίας προτού κινηθεί προς υψηλότερη εντροπία.

Κατά τη διάρκεια αυτής της ίδιας ιστορικής πορείας, ωστόσο, η ύλη συγκεντρώθηκε σε ολοένα και πιο περίπλοκες δομές, δημιουργώντας τελικά γαλαξίες, άστρα, πλανήτες και ζωή.

Το να εξηγηθεί πώς προέκυψε αυτή η τάξη, ενώ η εντροπία συνέχιζε να αυξάνεται, παραμένει μια άλυτη πρόκληση.

Μια θεωρία επαναπροσδιορίζει το αίνιγμα της εντροπίας

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review D, η καθηγήτρια Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Queen Mary του Λονδίνου, Τζινέστρα Μπιανκόνι (Ginestra Bianconi), εξετάζει το πρόβλημα μέσω της «Βαρύτητας από Εντροπία» (Gravity from Entropy – GfE).

Πρόκειται για μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας που χρησιμοποιεί τη στατιστική μηχανική για να εξάγει τη βαρύτητα από τους μικροσκοπικούς βαθμούς ελευθερίας στο εσωτερικό της γεωμετρίας του χωροχρόνου.

Η ανάλυσή της για τη θερμοδυναμική συμπεριφορά της θεωρίας δείχνει ότι η συνολική εντροπία του Σύμπαντος αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, ενώ η εντροπία του ανά μονάδα όγκου μειώνεται.

Η διάκριση αυτή, αφήνει περιθώριο για νέες ερμηνείες σχετικά με το πώς θα μπορούσαν να αναπτυχθούν οργανωμένες δομές σε τοπικό επίπεδο, ακόμη και όταν η συνολική εντροπία αυξάνεται.

Η ιδέα ότι η βαρύτητα και η θερμοδυναμική συνδέονται στενά ανάγεται στο έργο των Τζέικομπ Μπέκενσταϊν (Jacob Bekenstein) και Στίβεν Χόκινγκ (Stephen Hawking) τη δεκαετία του 1970.

Η έρευνά τους απέδειξε ότι οι μαύρες τρύπες έχουν εντροπία και εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία, υποδεικνύοντας μια βαθύτερη σχέση μεταξύ του χωροχρόνου, της πληροφορίας και της θερμότητας.

Η βαρύτητα αναδύεται από την πληροφορία του χωροχρόνου

Η θεωρία «Βαρύτητα από Εντροπία» (GfE) περιγράφει τη βαρύτητα ως κάτι που αναδύεται από μια πληροφοριακή-θεωρητική τάση ανάμεσα στη φυσική μετρική του χωροχρόνου και σε μια άλλη μετρική που παράγεται από τα πεδία ύλης και την καμπυλότητα.

Η μετρική είναι η μαθηματική δομή που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τις αποστάσεις και τη γεωμετρία μέσα στον χωρόχρονο.

Η ερμηνεία αυτή, εμφανίζεται στη Λαγκρανζιανή (Lagrangian) της θεωρίας GfE μέσω της Κβαντικής Γεωμετρικής Σχετικής Εντροπίας (QGRE), η οποία μετρά τη σχέση μεταξύ των δύο μετρικών.

Σε χαμηλές ενέργειες και ασθενή καμπυλότητα, οι βαρυτικές εξισώσεις της θεωρίας συμπίπτουν με τη Γενική Σχετικότητα. Υπό πιο έντονες συνθήκες, ωστόσο, αρχίζουν να διαφέρουν.

Έξω από αυτό το όριο ασθενούς καμπυλότητας, οι εξισώσεις παράγουν επίσης έναν δυναμικό όρο σκοτεινής ενέργειας. Επειδή αυτή η συνεισφορά μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, θα μπορούσε ενδεχομένως να προσφέρει παρατηρήσεις που θα επιτρέψουν στους φυσικούς να ελέγξουν τη θεωρία στην πράξη.

Η διαστολή διαχωρίζει τη συνολική από την τοπική εντροπία

Η καθηγήτρια Μπιανκόνι εξέτασε τη θερμοδυναμική της θεωρίας GfE σε κοσμολογικούς χωροχρόνους Φρίντμαν-Ρόμπερτσον-Γουόκερ (Friedmann–Robertson–Walker).

Πρόκειται για μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή ενός διαστελλόμενου και γενικά ομοιόμορφου Σύμπαντος.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι τοπικοί γεωμετρικοί βαθμοί ελευθερίας ακολουθούν έναν πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.

Μέσα σε αυτή την περιγραφή, ο δυναμικός όρος της σκοτεινής ενέργειας λειτουργεί ως εσωτερική ενέργεια.

Παράλληλα, η Κβαντική Γεωμετρική Σχετική Εντροπία (QGRE) αντιπροσωπεύει την τοπική εντροπία ανά μονάδα όγκου.

Επιπλέον, προκύπτουν φυσικά κάποιες ενεργές μορφές θερμοκρασίας και πίεσης. Αυτό υποδηλώνει ότι η κβαντική κατάσταση πίσω από τη θεωρία GfE ίσως έχει έναν εγγενή θερμικό χαρακτήρα.

Το τοπικό στοιχείο όγκου που ορίζεται από τη φυσική μετρική παίζει κεντρικό ρόλο.

Καθώς η κοσμική διαστολή αυξάνει αυτόν τον όγκο, η συνολική εντροπία ανεβαίνει, αλλά η ποσότητα της QGRE μέσα σε κάθε μονάδα όγκου πέφτει.

Αυτός ο διαχωρισμός μεταξύ συνολικής και τοπικής εντροπίας προσδίδει στη θεωρία την ιδιαίτερη θερμοδυναμική συμπεριφορά της.

Μια πιθανή γέφυρα παραμένει σε θεωρητικό επίπεδο

Το συγκεκριμένο πλαίσιο υποδηλώνει ότι η βαρύτητα και ο χωρόχρονος ενδέχεται να συνδέονται θεμελιωδώς τόσο με τη θερμοδυναμική όσο και με την πληροφορία.
Εάν αναπτυχθεί περαιτέρω, θα μπορούσε να προσφέρει έναν νέο τρόπο διερεύνησης των σχέσεων μεταξύ της βαρύτητας, της κβαντικής θεωρίας, της κοσμολογίας και της ανάδυσης της πολυπλοκότητας.

Η πρόταση παραμένει σε ένα πρώιμο θεωρητικό στάδιο, όμως η καθηγήτρια Μπιανκόνι υποστηρίζει ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των μακροχρόνιων διαχωρισμών ανάμεσα στη γενική σχετικότητα, τη θερμοδυναμική, την κβαντομηχανική και την κοσμολογία.

Συνεπώς, «αυτή η εργασία αποκαλύπτει πώς η θεωρία της “Βαρύτητας από Εντροπία” μπορεί να αντιμετωπίσει το δύσκολο ερώτημα της εναρμόνισης της δεύτερης αρχής της θερμοδυναμικής με την ανάδυση της πολυπλοκότητας στο Σύμπαν μας.

Τα αποτελέσματα αυτά ενδέχεται να ανοίξουν νέους δρόμους για τη διερεύνηση του μακροχρόνιου προβλήματος της συμφιλίωσης των θεμελίων της κοσμολογικής μη αντιστρεπτικότητας, της εμφάνισης πολύπλοκων δομών και, σε τελική ανάλυση, της ίδιας της ζωής, με τη θεμελιώδη βαρυτική δυναμική», δηλώνει η καθηγήτρια Μπιανκόνι.