Czy grawitacja powstaje z informacji kwantowej? Nowe ustalenia zaburzają rozumienie czasoprzestrzeni

Czy grawitacja jest jedną z podstawowych właściwości wszechświata, czy może wyłania się z czegoś jeszcze bardziej fundamentalnego? Szukając odpowiedzi na te pytania, fizycy przedstawili nowe matematyczne uzasadnienie hipotezy, według której geometria czasoprzestrzeni i działanie grawitacji mogą być powiązane z przepływem informacji kwantowej. To z kolei zapewnia fascynującą perspektywę na przyszłość.
Czy grawitacja powstaje z informacji kwantowej? Nowe ustalenia zaburzają rozumienie czasoprzestrzeni

Autorzy publikacji zamieszczonej w Physical Review Letters mówią bowiem o możliwości połączenia ogólnej teorii względności z mechaniką kwantową. Taki cel przyświeca naukowcom od dekad. W końcu przez ponad sto lat opis grawitacji opierał się przede wszystkim na ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Zgodnie z nią materia i energia zakrzywiają czasoprzestrzeń, a to zakrzywienie wpływa na ruch planet, gwiazd i innych obiektów. Teoria ta doskonale sprawdza się w wielu sytuacjach, jednak jej połączenie z prawami mechaniki kwantowej nadal stanowi poważne wyzwanie.

Czytaj też: Najnowsza obserwacja wywraca nadprzewodnictwo do góry nogami. Fizycy zobaczyli ducha

Fizycy odpowiedzialni za ostatnie ustalenia opracowali matematyczne wyprowadzenie równań Einsteina, wykorzystując pojęcie względnej entropii kwantowej. To miara stosowana w teorii informacji kwantowej, która pozwala określić, jak bardzo dwa stany kwantowe różnią się od siebie i jak łatwo można je rozróżnić. Badacze wykorzystali ją do porównania dwóch sytuacji: przestrzeni pozbawionej materii oraz tej samej przestrzeni, w której materia już się znajduje.

Jak wynika z ich analizy, różnica informacyjna między tymi stanami jest powiązana z energią materii. Po uwzględnieniu zależności między entropią a powierzchnią horyzontu otrzymuje się równania opisujące zakrzywienie czasoprzestrzeni. W praktyce oznacza to, iż równania grawitacji można wyprowadzić z relacji między informacją kwantową, energią i geometrią, zamiast przyjmować je od początku jako niezależne założenie.

Przytoczone badania rozwijają koncepcję przedstawioną w 1995 roku przez fizyka Teda Jacobsona. Pokazał on wówczas, że równania Einsteina można wyprowadzić, traktując czasoprzestrzeń jak układ termodynamiczny. W takim ujęciu istotną rolę odgrywają pojęcia ciepła i entropii. Philipp Dorau i Albert Much poszli o krok dalej. Zamiast opierać się na klasycznym rozumieniu entropii, wykorzystali jej kwantowy odpowiednik, aby uzyskać matematyczny związek między właściwościami materii a geometrią czasoprzestrzeni.

Much porównuje ten mechanizm do szarpnięcia struny gitary. Materia jest impulsem, czasoprzestrzeń struną, a powstającym dźwiękiem – równania opisujące grawitację. Choć analogia jest uproszczeniem, pomaga wyobrazić sobie, w jaki sposób określone właściwości układu kwantowego mogą znaleźć odzwierciedlenie w geometrii wszechświata. Wyjątkowe znaczenie mają tutaj horyzonty, czyli granice, zza których obserwator nie może otrzymać informacji. Przykładem są horyzonty czarnych dziur, odgrywające ważną rolę w badaniach nad związkiem grawitacji, entropii i informacji.

Czytaj też: Impulsy lasera otworzyły drzwi do nieosiągalnych stanów elektronów. Wielki sukces fizyków

Jeśli przedstawione podejście doczeka się rozwinięcia i potwierdzenia, stanowiłoby potwierdzenie hipotezy, że grawitacja nie jest fundamentalnym oddziaływaniem w takim sensie, jak zwykle się ją przedstawia, lecz zjawiskiem wyłaniającym się z głębszej struktury świata kwantowego. Nie oznacza to jednak, że fizycy odkryli już ostateczne źródło grawitacji. Praca dotyczy określonego, półklasycznego opisu, w którym czasoprzestrzeń pozostaje klasyczna, a materia podlega prawom kwantowym. Pełna teoria grawitacji kwantowej wciąż nie istnieje.

Źródło: Physical Review Letters

Napisane przez

Aleksander Kowal

Redaktor
Z wykształcenia romanista (język francuski oraz hiszpański) ze specjalizacją z traduktologii. Dziennikarską przygodę rozpocząłem około piętnastu lat temu, początkowo w związku z recenzjami gier komputerowych i filmów. Obecnie publikuję zdecydowanie częściej na tematy związane z nauką oraz technologią. W wolnym czasie uwielbiam podróżować, śledzić kinowe i książkowe nowości, a także uprawiać oraz oglądać sport.