Гравитация возникает из квантовой информации: новое доказательство связывает энтропию и искривление пространства-времени

Исследователи Альберт Мач и Филипп Дорау, физики-теоретики из Лейпцигского университета в Германии, опубликовали работу в журнале Physical Review Letters, в которой показали, что уравнения гравитации Эйнштейна можно вывести не из классической термодинамики, а из квантовой относительной энтропии — строгой математической меры различимости квантовых состояний. Иными словами, им удалось связать квантовую информацию с искривлением пространства-времени на уровне строгих доказательств, а не интуитивных аналогий.

Гравитация и квантовая механика уже почти столетие не могут найти общий язык. Первая описывает, как массивные тела искривляют пространство и время, вторая — как ведут себя мельчайшие частицы. Объединить их в единую теорию квантовой гравитации до сих пор никому не удавалось, хотя попытки предпринимаются многими. Но, возможно, ключ к разгадке лежит не в новых частицах или дополнительных измерениях, а в информации, точнее, в том, как квантовые состояния отличаются друг от друга.

В 1995 году физик Тед Джейкобсон сделал неожиданное открытие: уравнения Эйнштейна можно вывести из термодинамики, то есть из науки о тепле и энтропии. Это было похоже на то, как законы поведения газа выводятся из движения отдельных молекул. Тогда возникла догадка: а что если гравитация не фундаментальна, а возникает из чего-то более глубокого? Но доказательство Джейкобсона опиралось на классическое понятие энтропии, которое плохо работает в квантовом мире.

Авторы новой работы заменили классическую энтропию на квантовую относительную энтропию. Эта величина измеряет, насколько хорошо можно отличить одно квантовое состояние от другого. Грубо говоря, если у вас есть поверхность моря, которая никогда не бывает абсолютно гладкой, то это квантовый вакуум, пустое пространство. А если по ней проходит волна, относительная энтропия показывает, насколько легко такую волну заметить на фоне постоянной ряби. Чем сильнее волна, тем больше информации она несет.

Ученые вычислили эту величину на горизонте, границе пространства-времени, за которую никакая информация не может проникнуть. Оказалось, что относительная энтропия между вакуумом и возбужденным состоянием квантового поля равна потоку энергии через горизонт. А если учесть известную связь между энтропией и площадью горизонта, открытую Бекенштейном и Хокингом, то из этого автоматически следуют уравнения, описывающие, как квантовая материя искривляет пространство-время. Никаких дополнительных допущений не требуется, все выводится из математики квантовой информации.

Это важно потому, что раньше связь между информацией и гравитацией описывали скорее на уровне физической интуиции и косвенных аргументов. Теперь же она подтверждена строгими вычислениями. Как выразился сам Альберт Мач, материя это щипок струны, пространство-время — сама струна, а издаваемая нота — уравнения Эйнштейна. Квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени, которая обычно считается первым шагом к квантовой гравитации, теперь предстает не просто приближением, а намеком на более фундаментальную истину: локальная кривизна пространства-времени напрямую связана с квантовой информацией.

По словам соавтора Филиппа Дорау, большинство ингредиентов этой работы известны уже несколько десятилетий. Физики давно изучают поведение квантовой материи вблизи горизонтов событий черных дыр и тепловые свойства пустого пространства. Недостающим звеном стал недавний прогресс в понимании относительной энтропии, именно он позволил соединить квантовую информацию, термодинамику и гравитацию в единую картину.

Практического применения у этого исследования пока нет, но его ценность в другом, в углублении понимания основ природы. История показывает, что такие фундаментальные работы часто дают огромный эффект годы спустя. Общая теория относительности когда-то казалась чисто теоретической абстракцией, а теперь без нее не работают системы GPS. Квантовая информация лежит в основе квантовых вычислений и квантовых технологий. Так что, возможно, мы стоим у истоков чего-то столь же важного.

Авторы не рассматривают гравитацию как самостоятельную фундаментальную силу. Их работа поддерживает идею, что само пространство-время может возникать из информационной структуры квантовой вселенной. Сейчас они пытаются обобщить свои выводы на более сложные сценарии: разные формы квантовой материи, более общие квантовые состояния и светоподобные поверхности, играющие центральную роль в физике черных дыр. Долгосрочная цель — понять, насколько гравитацию можно вывести исключительно из квантовой информации, что стало бы ориентиром для построения полной теории квантовой гравитации.

В итоге работа показывает, что уравнения Эйнштейна, описывающие гравитацию, можно получить из квантовой относительной энтропии, меры различимости квантовых состояний без привлечения классической термодинамики. Это может подтвердить гипотезу о том, что пространство-время и гравитация не фундаментальны, а возникают из квантовой информации, и открывает новый путь к объединению квантовой механики и общей теории относительности.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях