یک مطالعه نظری جدید راهی ممکن برای حل یکی از دشوارترین معماهای فیزیک مدرن ارائه میدهد: چگونه جهان، کهکشانها، ستارگان، سیارات و حیات را تولید کرده است، در حالی که همچنان از قانون دوم ترمودینامیک پیروی میکند؟
این تحقیق توسط پروفسور جینسترا بیانکونی، ریاضیدان دانشگاه کوئین مری لندن، رهبری شد. کار او بررسی میکند که آیا نظریهای به نام گرانش از آنتروپی (Gravity from Entropy) میتواند به توضیح چگونگی ظهور پیچیدگی کیهانی، حتی با افزایش آنتروپی کلی جهان، کمک کند.
اینشتین به طور مشهور اظهار داشت که «قانون دوم ترمودینامیک جایگاه منحصر به فردی در میان قوانین طبیعت دارد»، که نشاندهنده دیدگاه او مبنی بر اینکه این قانون یکی از مطمئنترین و بنیادیترین اصول در فیزیک است.
قانون دوم بیان میکند که آنتروپی کلی یک سیستم ایزوله به طور کلی با گذشت زمان افزایش مییابد. آنتروپی اغلب به عنوان معیاری از بینظمی توصیف میشود، اگرچه دقیقتر نشان میدهد که چگونه انرژی و اطلاعات میتوانند در یک سیستم توزیع شوند.
این اصل یک چالش بزرگ برای کیهانشناسی ایجاد میکند. دانشمندان عموماً معتقدند که جهان اولیه در حالت آنتروپی پایین آغاز شده و به طور پیوسته به سمت آنتروپی بالاتر حرکت کرده است. در عین حال، ماده خود را در ساختارهای فزایندهای پیچیده، از کهکشانها و ستارگان گرفته تا سیارات و موجودات زنده، سازماندهی کرده است.
توضیح اینکه چگونه این پیچیدگی رو به رشد میتواند با افزایش مداوم آنتروپی همزیستی داشته باشد، یک مشکل حلنشده باقی مانده است.
در مقالهای که در Physical Review D منتشر شد، بیانکونی این معما را با استفاده از گرانش از آنتروپی (GfE)، یک رویکرد پیشنهادی برای گرانش کوانتومی، بررسی میکند.
این نظریه از ایدههای مکانیک آماری برای توصیف گرانش به عنوان چیزی که از خواص میکروسکوپی هندسه فضا-زمان نشأت میگیرد، استفاده میکند. به جای اینکه گرانش را تنها به عنوان یک نیروی بنیادی یا انحنای فضا-زمان در نظر بگیریم، GfE آن را به اطلاعات و آنتروپی در سطح کوانتومی مرتبط میکند.
تحلیل بیانکونی یک تمایز بالقوه مهم را آشکار میکند. اگرچه آنتروپی کلی جهان با گذشت زمان افزایش مییابد، اما مقدار آنتروپی در واحد حجم با انبساط جهان کاهش مییابد.
این رفتار میتواند راه جدیدی برای درک چگونگی توسعه ساختارهای سازمانیافته به صورت محلی بدون نقض قانون دوم ترمودینامیک ارائه دهد.
این ایده که گرانش و ترمودینامیک به شدت به هم مرتبط هستند، به کارهای پیشگامانه جیکوب بکناشتاین (Jacob Bekenstein) و استیون هاوکینگ (Stephen Hawking) در دهه ۱۹۷۰ بازمیگردد.
کشفهای آنها نشان داد که سیاهچالهها دارای آنتروپی هستند و میتوانند تابش حرارتی منتشر کنند. این یافتهها درک علمی از سیاهچالهها را متحول کرد و به ارتباط عمیقتری بین فضا-زمان، اطلاعات، گرانش و گرما اشاره کرد.
گرانش از آنتروپی بر اساس این رابطه گستردهتر بنا شده است.
بر اساس GfE، گرانش از یک کشش اطلاعاتی بین متریک واقعی فضا-زمان و متریک دیگری که توسط میدانهای ماده و انحنای فضا-زمان تولید میشود، نشأت میگیرد. متریک ساختار ریاضی است که برای توصیف فواصل و هندسه در فضا-زمان استفاده میشود.
این تفسیر از طریق لاگرانژین GfE بیان میشود که توسط آنتروپی نسبی هندسی کوانتومی (Quantum Geometric Relative Entropy - QGRE) بین دو متریک تعریف شده است.
در انرژیهای پایین و تحت شرایط انحنای ضعیف فضا-زمان، معادلات گرانش از آنتروپی، نسبیت عام را بازتولید میکنند. با این حال، تحت شرایط شدیدتر، پیشبینیها شروع به تفاوت میکنند.
فراتر از این حد ضعیف، معادلات GfE یک سهم متغیر انرژی تاریک را تولید میکنند. از آنجایی که این عبارت به صورت دینامیکی تکامل مییابد، به طور بالقوه میتواند پیشبینیهایی را ایجاد کند که محققان ممکن است در نهایت از طریق مشاهدات کیهانشناسی آنها را آزمایش کنند.
این مطالعه این اثرات ترمودینامیکی را در فضا-زمانهای کیهانشناسی فریدمان-رابرتسون-واکر (Friedmann-Robertson-Walker) بررسی میکند، که مدلهای ریاضی هستند که معمولاً برای توصیف جهانی که به طور یکنواخت در مقیاسهای بزرگ منبسط میشود، استفاده میشوند.
نتایج نشان میدهد که مؤلفههای هندسی محلی فضا-زمان از نسخهای از قانون اول ترمودینامیک پیروی میکنند. در این توصیف، سهم انرژی تاریک نوظهور به عنوان انرژی داخلی عمل میکند، در حالی که آنتروپی نسبی هندسی کوانتومی (QGRE) نشاندهنده آنتروپی محلی در واحد حجم است.
مقادیر مربوط به دما و فشار مؤثر نیز به طور طبیعی از این نظریه نشأت میگیرند. در مجموع، این نتایج نشان میدهد که حالت کوانتومی زیربنای گرانش از آنتروپی ممکن است دارای یک ویژگی حرارتی ذاتی باشد.
این مطالعه همچنین بر اهمیت عنصر حجم محلی که توسط متریک فضا-زمان فیزیکی تعیین میشود، تأکید میکند.
با انبساط جهان، حجم آن افزایش مییابد. در چارچوب GfE، این افزایش حجم باعث میشود که آنتروپی کلی افزایش یابد، حتی در حالی که QGRE محلی در هر واحد حجم به تدریج کاهش مییابد.
به عبارت دیگر، جهان میتواند به طور کلی آنتروپی بیشتری داشته باشد، در حالی که آنتروپی به طور گستردهتری در فضای در حال انبساط توزیع میشود. این الگوی ترمودینامیکی غیرمعمول ممکن است به روشن شدن چگونگی ظهور مناطق محلی ساختار و پیچیدگی کمک کند.
این یافتهها از این امکان حمایت میکنند که گرانش و فضا-زمان دارای بنیانهای اطلاعاتی و ترمودینامیکی هستند.
چنین تفسیری میتواند راههای جدیدی برای بررسی روابط بین گرانش، نظریه کوانتومی، انرژی تاریک، تکامل کیهانی و ظهور ساختارهای پیچیده فراهم کند.
این پیشنهاد هنوز در مراحل اولیه نظری قرار دارد. با این حال، محققان میگویند که ممکن است به تلاشها برای پیوند نسبیت عام، ترمودینامیک، مکانیک کوانتومی و کیهانشناسی در یک چارچوب گستردهتر کمک کند.
پروفسور بیانکونی میگوید: «این کار نشان میدهد که چگونه نظریه گرانش از آنتروپی میتواند به سؤال چالشبرانگیز آشتی دادن اصل دوم ترمودینامیک با ظهور پیچیدگی در جهان ما بپردازد. این نتایج ممکن است راههای جدیدی را برای بررسی مشکل دیرینه آشتی دادن بنیانهای برگشتناپذیری کیهانشناسی، ظهور ساختارهای پیچیده و در نهایت حیات، با دینامیک گرانشی بنیادی باز کند.»