Без Айнщайн? Хаосът като източник на гравитацията: нов поглед към структурата на Вселената

Британски професор предизвиква Айнщайн.

Мери Джинестра Бианкони, професор по приложна математика в Кралския университет в Лондон, представи нова теория за фундаменталните сили на Вселената. В своя труд тя предлага принципно нов подход към изучаването на законите на привличането, като ги свързва с квантовата относителна ентропия – величина, която в теорията на информацията описва разликата между състоянията на квантовите системи.

В продължение на десетилетия учените се опитват да съчетаят двата противоречащи си фундаментални закона. Квантовата механика управлява поведението на частиците в най-малките мащаби – на атомно и субатомно ниво, където действат особени принципи, които не приличат на физиката, с която сме свикнали. На свой ред общата теория на относителността на Айнщайн описва гравитационните взаимодействия на космически разстояния, където масивните обекти изкривяват тъканта на пространството и времето. Досега никой не е успял да създаде единен математически апарат, който да работи едновременно и в двете области.

Същността на откритието на Бианкони се крие във фундаментално нов поглед върху пространство-времето. В класическата физика то е представено като гъвкава тъкан, която се изкривява под действието на масивните обекти – именно тази кривина ние възприемаме като сила на тежестта. Изследователят обаче предполага, че всъщност геометрията на реалността се подчинява на законите на микрокосмоса.

В обикновения свят можем с голяма точност да измерим скоростта на един автомобил или неговото местоположение. Но в света на елементарните частици всичко е различно: преди момента на измерването частицата сякаш се намира на много места едновременно или се движи с различни скорости по едно и също време. Всяка възможна стойност има своя собствена вероятност – както хвърлената монета може да падне или ези, или тура. Математиците описват това поведение на частиците с помощта на оператори – специални формули, които отчитат всички възможни условности. Бианкони предполага, че самото пространство се подчинява на същите закони: формата и кривината му не са определени еднозначно, а съществуват под формата на много варианти.

Ентропията е мярка за безпорядъка и хаоса в дадена система. Най-лесният начин да я представим е да вземем за пример една стая: идеално подредената стая има минимална ентропия, докато в неподредената стая ентропията е максимална. В същото време системата винаги се стреми към състоянието с най-висока ентропия – самите неща никога не се връщат на местата си, а лесно се разхвърлят. Това е основен принцип във физиката: всеки процес, оставен сам на себе си, се развива в посока на увеличаване на безпорядъка. Ето защо горещият чай се охлажда, разтворената във вода боя се разпръсква по целия си обем, а падналата чаша се чупи. Обратният процес – намаляването на ентропията – изисква внасяне на енергия отвън, точно както почистването на една стая изисква човешки усилия.

Новата теория се основава на сравнението на две състояния на пространството. Първото е идеалната геометрия, определена от класическата физика. Второто е реалната картина, в която се прилагат квантовите закони. За да измери разликата между двете, Бианкони използва специална величина – ентропийното действие.

Ентропичното действие се основава на концепцията за квантова относителна ентропия. В микрокосмоса частиците постоянно се движат между различните енергийни нива, като променят своите импулси и спинове. При всеки такъв преход информацията, съдържаща се в системата, се трансформира. Относителната ентропия ни дава възможност за точно изчисляване на мащаба на трансформациите.

Прилагайки този математически апарат към изучаването на пространството, Бианкони открива изненадваща закономерност. Материята, въздействайки върху тъканта на пространството, предизвиква микроскопични преходи между различните състояния в него. Резултатът е макроскопична сила – това е, което възприемаме като гравитация.

При обикновени условия – ниски енергии и слаби гравитационни полета – новите уравнения дават същите резултати като класическата теория на относителността. В екстремни ситуации обаче ефектите на микрокосмоса стават видими. По-конкретно математическият модел по естествен начин прогнозира съществуването на космологичната константа – мистериозната сила, която кара Вселената да се разширява с ускоряващ се темп. Предишните теоретични конструкции или не можеха да обяснят нейното съществуване, или даваха резултати, разминаващи се с наблюденията десетки пъти.

Най-важният елемент на теорията е откриването на ново поле, наречено G-поле. В математиката множителите на Лагранж помагат за намиране на оптималните решения на уравненията при наличие на допълнителни ограничения – например как да се намери най-краткият път между определени точки, ако можете да се движите само по повърхността на сфера. G-полето изпълнява подобна функция в новите гравитационни уравнения, но физическото му значение е много по-дълбоко. На микроскопично ниво то проявява характеристики, забележително сходни с тези на тъмната материя – мистериозна субстанция, която нито излъчва, нито поглъща светлина, но създава мощно привличане, което държи галактиките и галактическите купове заедно.

Разглеждайки Вселената през призмата на квантовата теория и прилагайки концепцията за ентропията към нейните основи, изследването разкрива нови хоризонти на познанието. Теорията на Бианкони не само предлага елегантно решение на отдавнашни проблеми, но и проправя пътя към по-дълбоко разбиране на структурата на Вселената.

Този модел дава представа и за термодинамиката на черните дупки. Традиционните теории предполагат, че черните дупки съхраняват информацията в своите хоризонти на събитията, но подробностите за това продължават да бъдат неясни.

Тъй като тази концепция извежда гравитацията директно от ентропията, тя може да помогне да се обясни как се съхранява и пренася информацията в екстремните гравитационни среди. Бъдещите изследвания биха могли да приложат тази теория, за да се разбере по-добре парадоксът на преградната стена и съдбата на информацията, която попада в черната дупка.