新的重力量子理論將熵、暗能量和生命連結起來

這項研究由倫敦瑪麗女王大學數學家 Ginestra Bianconi 教授領導。他的工作研究了一種稱為熵引力的理論是否可以幫助解釋隨著宇宙總熵的增加而產生的宇宙複雜性。

宇宙的熵之謎

愛因斯坦說“熱力學第二定律在自然定律中佔有獨特的地位”，反映出它是物理學中最確定、最根本的原理之一。

第二定律指出，孤立系統的總熵通常會隨著時間的推移而增加。熵通常被描述為無序程度的測量，儘管它更準確地反映了能量和資訊在系統中的分佈。

這原理對宇宙學提出了巨大的挑戰。科學家普遍認為，早期宇宙始於低熵狀態，並穩步走向高熵狀態。同時，物質被組織成越來越複雜的結構，從星系和恆星到行星和生物體。

解釋這種不斷增加的複雜性如何與不斷增加的熵共存仍然是一個未解決的問題。

從熵到引力的新方法

在發表於的一篇論文中 物理檢查DBianconi 使用熵引力 (GfE) 來研究這個難題，這是一種提出的量子重力方法。

該理論利用統計力學的想法將重力描述為由時空幾何的微觀特性產生的東西。 GfE 並沒有將重力僅僅視為一種基本力或時空曲率，而是將其與量子層面的資訊和熵聯繫起來。

比安科尼的分析揭示了一個潛在的重要差異。儘管宇宙的總熵隨著時間的推移而增加，但每單位體積的熵隨著宇宙的膨脹而減少。

這種行為可以提供一種新的方法來理解有組織的結構如何在不違反熱力學第二定律的情況下局部發展。

黑洞連接重力和熱量

重力和熱力學密切相關的想法可以追溯到 20 世紀 70 年代雅各布·貝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 和斯蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 的開創性工作。

他們的發現表明黑洞具有熵並且可以發射熱輻射。這些發現改變了對黑洞的科學認識，並顯示時空、資訊、重力和熱之間有更深層的連結。

熵的引力就是基於這種更廣泛的關係。

根據 GfE 的說法，重力產生於真實時空度量與物質場和時空曲率創建的另一個度量之間的資訊張力。度量是一種用來描述時空距離和幾何形狀的數學結構。

這個解釋由拉格朗日 GfE 表達，它是兩個度量之間定義的量子幾何相對熵 (QGRE)。

與暗能量的可能聯繫

在低能量和弱時空曲率的條件下，熵重力方程式再現了廣義相對論。然而，在更極端的條件下，預測開始出現分歧。

超過這個弱極限，GfE 方程式會產生可變的暗能量貢獻。因為這個術語是動態演變的，所以研究人員可以透過宇宙學觀測來檢驗它的預測。

該研究研究了弗里德曼-羅伯遜-沃克宇宙學時空中的這些熱力學效應，這些數學模型通常用於描述大尺度均勻膨脹的宇宙。

結果顯示時空的局部幾何分量服從熱力學第一定律的一個版本。在這個描述中，新興的暗能量貢獻充當內能，而量子幾何相對熵（QGRE）代表每單位體積的局部熵。

與有效溫度和壓力相對應的量也自然地從理論中產生。總之，這些結果顯示熵引力背後的量子態可能具有內在的熱性質。

膨脹使熵在空間中傳播

該研究還強調了由物理時空度量確定的局部體積元素的重要性。

隨著宇宙的膨脹，它的體積也隨之增加。在 GfE 框架中，儘管每個體積單元內的局部 QGRE 逐漸減小，但增加體積會增加總熵。

換句話說，隨著熵在膨脹的空間中膨脹，宇宙整體上可以包含更多的熵。這種不尋常的熱力學模型可能有助於揭示結構和複雜性的局部區域是如何出現的。

重力和時空可以是熱力學的

研究結果支持重力和時空具有資訊和熱力學基礎。

這種解釋可以提供新的方法來研究重力、量子理論、暗能量、宇宙演化和複雜結構的創造之間的關係。

該提案仍處於初始理論階段。然而，研究人員表示，這可能有助於將廣義相對論、熱力學、量子力學和宇宙學聯繫到一個更廣泛的框架中。

「這項工作揭示了熵引力理論如何面對調和熱力學第二原理與宇宙複雜性的出現這一具有挑戰性的問題。這些結果可以開闢新的途徑來研究宇宙學不可逆性的基礎、複雜結構的出現，以及最終研究引力與基本動力學的基礎。