Ученые давно пытаются объединить общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую космические масштабы, с квантовой теорией микромира. В новой работе физики смогли вывести уравнения Эйнштейна через термодинамику и квантовую относительную энтропию. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Возможно, гравитация не является фундаментальной силой, а возникает из квантовой информации Вселенной
Новое исследование меняет привычное представление о физике Вселенной. Ученые смогли доказать, что кривизна пространства и сама гравитация могут порождаться не отдельной силой, а фундаментальной квантовой информацией. Это приближает науку к разгадке главной тайны: как связаны гравитация и квантовый мир.
Визуализация, полученная в результате моделирования, демонстрирует поведение позитронов вблизи горизонта событий вращающейся черной дыры. Berkeley Lab
Горизонт событий черной дыры и термодинамика. В 1970-х годах физик Якоб Бекенштейн предположил, что черные дыры обладают энтропией, пропорциональной площади их поверхности. Стивен Хокинг доказал, что они излучают тепло. Новые изыскания продолжают эту логику, переводя астрофизические аналогии на язык строгой теории квантовой информации.
Эскиз локальной области 𝒰⊂ℳ, слабо заштрихованной серым цветом, наделенной локальным горизонтом Риндлера, состоящим из нулевых гиперповерхностей ℋ𝐴 и ℋ𝐵, пересекающихся в поперечном сечении горизонта 𝒮. Внутри 𝒰 гиперповерхность ℋ𝐴 аффинно параметризуется переменной 𝑉, а гиперповерхность ℋ𝐵 — переменной 𝑈, что дает локальную двойную нулевую систему координат. Следовательно, область 𝒰 разделяется на две клиновидные области, что соответственно разлагает ℋ𝐴, ℋ𝐵 на ℋℛ𝐴,ℋℒ𝐴 и ℋℒ𝐵,ℋℛ𝐵, соответственно. Оранжевая кривая обозначает поток, генерируемый локальным приближенным векторным полем Киллинга 𝜉𝑎, которое становится нулевым на ℋ𝐴 и ℋ𝐵.
Исследователи применили точную меру, которая показывает разницу между состояниями квантовой системы на границах горизонтов событий. Как отмечают авторы работы, это позволило заменить прежние эвристические рассуждения строгими формулами и математическими доказательствами. В итоге ученые показали, как энергия потока частиц у горизонтов событий связана с искривлением пространства.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Строгие формулы вместо аналогии
Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени, описывающая квантовую материю на фоне гравитационного поля, часто рассматривается как первый шаг на пути к квантовой гравитации.
Авторы подчеркивают, что многие элементы были известны десятилетиями, но прорыв стал возможен благодаря успехам в изучении энтропии. По словам соавтора работы Альберта Муха, уравнения гравитации получаются из квантовой информации подобно тому, как нота рождается из касания струны. «Наш долгосрочный план — понять, насколько полно гравитацию можно выводить лишь из квантовой информации, что укажет путь к искомой теории», — пояснил физик.
В рамках предложенного подхода гравитация рассматривается не как фундаментальная сила природы (подобно электромагнетизму или сильным взаимодействиям), а как некоторое возникающее (эмерджентное) свойство материи. Например, температура или давление газа не существуют для отдельной молекулы, но появляются на макроуровне как результат совместного движения всех молекул.
Физики выводят уравнения Эйнштейна из законов термодинамики и квантовой информации. Ученые предлагают рассматривать геометрию пространства-времени и гравитацию как своего рода «уравнением состояния» (подобно газовым законам), а не базовым микроскопическим законом Вселенной.
Загружаем