Профессор прикладной математики Лондонского университета Куин Мэри Джинестра Бьянкони представила новую теорию о фундаментальных силах Вселенной. В своей работе она предлагает принципиально новый подход к изучению законов притяжения, связывая их с квантовой относительной энтропией – величиной, которая в теории информации описывает различие между состояниями квантовых систем.
Десятилетиями ученые пытались примирить два противоречащих друг другу фундаментальных закона. Квантовая механика управляет поведением частиц на мельчайших масштабах – атомном и субатомном уровнях, где действуют особые принципы, не похожие на привычную нам физику. В свою очередь общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитационные взаимодействия на космических расстояниях, где массивные объекты искривляют ткань пространства и времени. До сих пор создать единый математический аппарат, работающий одновременно в обеих областях, не удавалось никому.
Суть открытия Бьянкони заключается в принципиально новом взгляде на пространство-время. В классической физике оно представляют как гибкую ткань, которая искривляется под действием массивных объектов – именно это искривление мы воспринимаем как силу тяготения. Однако исследовательница предположила, что на самом деле геометрия реальности подчиняется законам микромира.
В привычном мире мы можем точно измерить скорость автомобиля или его местоположение. Но в мире элементарных частиц все иначе: до момента измерения частица как бы находится сразу во многих местах или движется с разными скоростями одновременно. Каждое возможное значение имеет свою вероятность – как подброшенная монета может упасть и орлом, и решкой. Математики описывают такое поведение частиц с помощью операторов – специальных формул, учитывающих все возможные кондиции. Бьянкони предположила, что само пространство ведет себя по тем же законам: его форма и кривизна не определены однозначно, а существуют в виде множества вариантов.
Энтропия – это мера беспорядка и хаотичности в системе. Проще всего представить ее на примере комнаты: идеально убранная комната обладает минимальной энтропией, а в неприбранной энтропия максимальна. При этом система всегда стремится к состоянию с наибольшей энтропией – вещи сами по себе никогда не раскладываются по местам, зато легко разбрасываются. В физике это фундаментальный принцип: любой предоставленный сам себе процесс развивается в сторону увеличения беспорядка. Именно поэтому горячий чай остывает, растворенная в воде краска распространяется по всему объему, а упавшая чашка разбивается. Обратный процесс – уменьшение энтропии – требует затрат энергии извне, как уборка комнаты требует усилий человека.
В основе новой теории лежит сравнение двух состояний пространства. Первое – это идеальная геометрия, которую предсказывает классическая физика. Второе – реальная картина, где действуют квантовые законы. Для измерения разницы между ними Бьянкони использует особую величину – энтропийное действие.
Энтропийное действие опирается на понятие квантовой относительной энтропии. В микромире частицы постоянно переходят между разными энергетическими уровнями, меняют импульс и спин. При каждом таком переходе преобразуется и заключенная в системе информация. Относительная энтропия позволяет точно рассчитать масштаб преобразований.
Применив этот математический аппарат к изучению пространства, Бьянкони обнаружила удивительную закономерность. Материя, влияя на ткань пространства, вызывает в нем микроскопические переходы между разными состояниями. В результате возникает макроскопическая сила – именно ее мы воспринимаем как гравитацию.
При обычных условиях – низких энергиях и слабых гравитационных полях – новые уравнения дают те же результаты, что и классическая теория относительности. Однако в экстремальных ситуациях проявляются эффекты микромира. В частности, математическая модель естественным образом предсказывает существование космологической постоянной – загадочной силы, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением. Прежние теоретические построения либо не могли объяснить ее существование, либо давали результаты, расходящиеся с наблюдениями в десятки раз.
Важнейший элемент теории – открытие нового поля, названного G-полем. В математике множители Лагранжа помогают находить оптимальные решения уравнений при наличии дополнительных ограничений – например, как найти кратчайший путь между точками, если двигаться можно только по поверхности сферы. G-поле выполняет схожую функцию в новых уравнениях гравитации, но его физический смысл гораздо глубже. На микроскопическом уровне оно демонстрирует характеристики, удивительно напоминающие свойства темной материи – загадочной субстанции, которая не излучает и не поглощает свет, но при этом создает мощное притяжение, удерживающее вместе галактики и их скопления.
Рассматривая мироздание через призму квантовой теории и применяя концепцию энтропии к его основам, исследование раскрывает новые горизонты познания. Теория Бьянкони не только предлагает изящное решение давних проблем, но и прокладывает дорогу к более глубокому осмыслению устройства Вселенной.