Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review D, η καθηγήτρια Γκίνεστρα Μπιάνκονι, καθηγήτρια Εφαρμοσμένων Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου, προτείνει ένα νέο πλαίσιο που θα μπορούσε να επαναστατήσει την κατανόησή μας για τη βαρύτητα και τη σχέση της με την κβαντική μηχανική.
Η μελέτη, με τίτλο «Βαρύτητα από την Εντροπία», εισάγει μια καινοτόμο προσέγγιση που προκύπτει από την κβαντική σχετική εντροπία, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ δύο από τις πιο θεμελιώδεις, αλλά φαινομενικά ασύμβατες θεωρίες στη φυσική: την κβαντική μηχανική και την γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν.
Εντροπία
Στην επιστήμη της θερμοδυναμικής, εντροπία είναι η έννοια μέσω της οποίας μετράται η αταξία, της οποίας η μέγιστη τιμή αντικατοπτρίζει την πλήρη αποδιοργάνωση (ομογενοποίηση των πάντων) και ισοδυναμεί με την παύση της ζωής. Σε μια τέτοια κατάσταση δεν υπάρχει καμία διαδικασία και δεν βρίσκεται «σε λήθαργο» (κρυμμένη) κανενός είδους πληροφορία που να επιτρέπει τη ζωή, αν με κάποιο τρόπο γίνει εκ νέου παροχή μόνο ενέργειας.
Η έννοια της εντροπίας παρέχει βαθιά εικόνα για την κατεύθυνση της αυθόρμητης αλλαγής για πολλά καθημερινά φαινόμενα. Η εισαγωγή της από τον Γερμανό φυσικό Ρούντολφ Κλαούσιους το 1850 αποτελεί κορυφαίο σημείο της φυσικής του 19ου αιώνα.
Η πρόκληση της κβαντικής βαρύτητας
Για δεκαετίες, οι φυσικοί αγωνίζονται να συγκεράσουν τις αρχές της κβαντικής μηχανικής με αυτές της γενικής σχετικότητας. Ενώ η κβαντική μηχανική διέπει τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε μικρές κλίμακες, η γενική σχετικότητα περιγράφει τη δύναμη της βαρύτητας σε κοσμικές κλίμακες. Η ενοποίηση αυτών των δύο πλαισίων υπήρξε ένας από τους πιο δύσκολους στόχους της σύγχρονης επιστήμης.
Η εργασία της καθηγήτριας Μπιάνκονι προσφέρει μια νέα προοπτική αντιμετωπίζοντας τη μετρική του χωροχρόνου, μια κεντρική έννοια στη γενική σχετικότητα, ως κβαντικό τελεστή. Αυτή η καινοτόμος προσέγγιση χρησιμοποιεί την κβαντική σχετική εντροπία, μια έννοια από τη θεωρία κβαντικής πληροφορίας, για να περιγράψει την αλληλεπίδραση μεταξύ της γεωμετρίας του χωροχρόνου και της ύλης.
Ο ρόλος της εντροπίας και το G-field
Η μελέτη εισάγει μια νέα εντροπική δράση, η οποία ποσοτικοποιεί τη διαφορά μεταξύ της μετρικής του χωροχρόνου και της μετρικής που προκύπτει από τα πεδία ύλης.
Αυτή η προσέγγιση οδηγεί σε τροποποιημένες εξισώσεις του Αϊνστάιν που, σε χαμηλό κανονισμό ζεύξης, δηλαδή σε χαμηλές ενέργειες και μικρή καμπυλότητα, οδηγούνται στις κλασικές εξισώσεις της γενικής σχετικότητας. Ωστόσο, η θεωρία πηγαίνει πιο πέρα, προβλέποντας την εμφάνιση μιας μικρής, θετικής κοσμολογικής σταθεράς – μια τιμή που ευθυγραμμίζεται πολύ καλύτερα με τις πειραματικές παρατηρήσεις της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος σε σχέση με άλλες προϋπάρχουσες θεωρίες.
Ένα κλειδί χαρακτηριστικό της θεωρίας είναι η εισαγωγή του G-field, ενός βοηθητικού πεδίου που λειτουργεί ως πολλαπλασιαστής Lagrangian. Το G-field δεν παίζει μόνο έναν καίριο ρόλο στις τροποποιημένες εξισώσεις της βαρύτητας, αλλά ανοίγει επίσης το δρόμο για νέες ερμηνείες της σκοτεινής ύλης – μια μυστηριώδη ύλη που αποτελεί σημαντικό ποσοστό της μάζας του σύμπαντος αλλά δεν έχει παρατηρηθεί απευθείας.
Ευρύτερες επιπτώσεις και κατευθύνσεις για το μέλλον
Οι επιπτώσεις αυτής της έρευνας είναι βαθιές. Συνδέοντας τη βαρύτητα με τη θεωρία κβαντικής πληροφορίας, η μελέτη παρέχει έναν πιθανό δρόμο προς μια ενοποιημένη θεωρία κβαντικής βαρύτητας. Επιπλέον, το G-field θα μπορούσε να προσφέρει νέες ενθαρρύνσεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης, ένα μακροχρόνιο αίνιγμα στην κοσμολογία.
«Αυτή η εργασία προτείνει ότι η κβαντική βαρύτητα έχει εντροπική προέλευση και υποδηλώνει ότι το G-field θα μπορούσε να είναι υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη», εξηγεί η καθηγήτρια Μπιάνκονι.
«Επιπλέον, η αναδυόμενη κοσμολογική σταθερά που προβλέπεται από το μοντέλο μας θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση της διαφοράς μεταξύ θεωρητικών προβλέψεων και πειραματικών παρατηρήσεων της διαστολής του σύμπαντος».
Αν και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να εξερευνηθούν πλήρως οι επιπτώσεις αυτής της θεωρίας, η μελέτη αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση της θεμελιώδους φύσης του σύμπαντος.
Η εργασία της καθηγήτριας Μπιάνκονι αμφισβητεί τη συμβατική σοφία και ανοίγει συναρπαστικούς νέους δρόμους για εξερεύνηση. Με την αντιμετώπιση του χωροχρόνου ως κβαντικής οντότητας και την αξιοποίηση της δύναμης της εντροπίας που σχετίζεται με τις μετρικές του χωροχρόνου, αυτή η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μια βαθύτερη κατανόηση της βαρύτητας, της κβαντικής μηχανικής και του ίδιου του σύμπαντος.