Nowa definicja energii. Japończycy łączą ogólną teorię względności z mechaniką kwantową

Japońscy fizycy postanowili opracować nową definicję energii. To może rzucić nowe światło na naturę czarnych dziur.
Czy w końcu uda się połączyć ogólną teorię względności z fizyką kwantową?
Czy w końcu uda się połączyć ogólną teorię względności z fizyką kwantową?

Albertowi Einsteinowi trudno było zdefiniować energię w sposób, który uwzględniłby zarówno prawo zachowania energii, jak i kowariancję, czyli podstawową cechę ogólnej teorii względności (OTW), zgodnie z którą prawa fizyki są takie same dla wszystkich obserwatorów.

Naukowcy z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu w Kioto zaproponowali nowe podejście do tego problemu. Japończycy opracowali definicję energii, która uwzględnia pojęcie entropii. Shuichi Yokoyama, jeden z fizyków biorących udział w badaniach, stwierdził, że “rozwiązanie jest szokująco intuicyjne”.

Trudne problemy, jeszcze trudniejsze rozwiązania

Równanie Einsteina, czyli równanie pola ogólnej teorii względności, opisuje, jak materia i energia kształtują czasoprzestrzeń, a także jak sama czasoprzestrzeń wpływa na materię i energię. Rozwiązanie równania Einsteina jest trudne i w wielu sytuacjach kłopotliwe. Szczególnie problematycznym czynnikiem jest tzw. tensor energii-pędu, który opisuje masę i energię.

Czytaj też: Einstein miał rację. Jego teoria przeszła najtrudniejszy test

Fizycy zauważyli, że zachowanie ładunku przypomina nieco entropię, którą zwykło się opisywać jako stopień nieuporządkowania materii, czyli liczbę różnych sposobów ułożenia fragmentów układu. Japończycy odkryli jednak, że entropia w klasycznym rozumieniu przeczy tej standardowej definicji. Jest ona sprzeczna z podstawową zasadą fizyki, znaną jako twierdzenie Noether, dotyczące związku zasad zachowania z symetriami ciągłymi.

Jestem zaintrygowany tym, że w ogólnie zakrzywionej czasoprzestrzeni można zdefiniować wielkość zachowywaną nawet bez symetrii.Shinya Aoki z Uniwersytetu w Kioto

Naukowcy postanowili zastosować to samo podejście do obserwacji różnych zjawisk kosmicznych, np. rozszerzania się Wszechświata czy zachowania czarnych dziur. Obliczenia dobrze odpowiadają obowiązującemu zachowaniu entropii dla czarnej dziury Schwarzschilda, równania sugerują, że gęstość entropii koncentruje się w osobliwości w centrum czarnej dziury. W tym miejscu prawa obowiązujące czasoprzestrzeni w innych regionach kosmosu przestają obowiązywać.

Badania przeprowadzone przez Japończyków to dopiero początek – powinny one pobudzić inne zespoły fizyków do kolejnych eksperymentów. Zainteresowanych zachęcamy do lektury wyników badań w International Journal of Modern Physics A.