Суть проблемы в следующем: второй закон термодинамики утверждает, что полная энтропия изолированной системы со временем растет. Энтропию часто описывают как меру беспорядка, хотя если быть точным, она отражает распределение энергии и информации в системе. Ученые полагают, что ранняя Вселенная находилась в состоянии низкой энтропии и постепенно двигалась к более высокой. Но одновременно материя организовывалась во все более сложные структуры — от галактик до живых организмов. Как растущая сложность сосуществует с непрерывным ростом энтропии, оставалось загадкой.
Профессор Джинестра Бьянкони, математик из Лондонского университета королевы Марии, предложила возможное решение этого парадокса. Она исследовала проблему с помощью теории «Гравитация из Энтропии» (Gravity from Entropy, GfE) — подхода к квантовой гравитации, который использует идеи статистической механики. Вместо того чтобы рассматривать гравитацию только как фундаментальную силу или искривление пространства-времени, GfE связывает ее с информацией и энтропией на квантовом уровне.
Анализ Бьянкони выявил важное различие: хотя общая энтропия Вселенной растет, количество энтропии на единицу объема уменьшается по мере расширения Вселенной. Иными словами, Вселенная может содержать больше энтропии в целом, но при этом энтропия распределяется все более широко по расширяющемуся пространству. Такое необычное термодинамическое поведение может объяснить, как локальные области структуры и сложности могут возникать, не нарушая второй закон.
Идея глубокой связи гравитации и термодинамики восходит к пионерским работам Якоба Бекенштейна и Стивена Хокинга 1970-х годов о черных дырах, обладающих энтропией и способных излучать тепловую радиацию. Теория GfE развивает эти представления, описывая гравитацию как результат информационного напряжения между реальной метрикой пространства-времени и другой метрикой, порождаемой материей и кривизной.
«Эта работа показывает, как теория "Гравитация из Энтропии" может решить сложный вопрос согласования второго начала термодинамики с возникновением сложности во Вселенной», — отмечает профессор Бьянкони, подчеркивая, что результаты ее исследования могут открыть новые пути для изучения космологической необратимости и, в конечном счете, возникновения жизни.
Ранее ученые нашли способ измерить скорость вращения черной дыры.