Сучасна теоретична фізика продовжує шукати фундаментальні точки дотику між загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна та квантовою механікою, які довгий час здавалися несумісними на глибинному рівні. Фізики з Лейпцизького університету представили революційне дослідження, в якому показали, як знамениті рівняння Ейнштейна, що описують гравітацію, можна вивести безпосередньо з математичних співвідношень квантової теорії інформації. Дана робота, опублікована в престижному науковому журналі Physical Review Letters, знаменує собою важливий крок вперед у розумінні природи нашого Всесвіту.
Квантова відносна ентропія та горизонти подій
В основі нового математичного підходу лежить поняття квантової відносної ентропії — спеціальної величини, яка вимірює ступінь відмінності двох квантових станів. Дослідники детально розглянули поведінку скалярного квантового поля в безпосередній близькості від горизонту подій. Під останнім розуміється умовна межа, за межі якої жодна інформація не здатна проникнути до певного спостерігача. Вчені встановили дивовижну закономірність: відносна ентропія між стандартним вакуумним станом і його збудженими варіаціями безпосередньо пов'язана з потоком енергії через цей просторовий горизонт.
Розвиток ідей Теда Джейкобсона та термодинаміка гравітації
Якщо до отриманих висновків додатково залучити класичне співвідношення Бекенштейна — Гокінга, що пов'язує термодинамічну ентропію горизонту з його геометричною площею, то енергетичний потік виявляється жорстко прив'язаним до зміни цієї площі. Саме такий стрункий ланцюжок логічних і математичних зв'язків дозволяє успішно вивести рівняння Ейнштейна в напівкласичному наближенні. У цьому наближенні квантові поля розглядаються на тлі класичного простору-часу. Отриманий результат логічно продовжує знамениту роботу фізика Теда Джейкобсона, виконану ще в 1995 році, де гравітаційні рівняння пов'язувалися з термодинамікою, але тепер замінює класичну ентропію більш точним апаратом теорії інформації.
Фізичний зміст та обмеження нової моделі
Глибинний фізичний зміст відкриття полягає в тому, що будь-які зміни квантового стану матерії безпосередньо відбиваються на геометрії простору-часу. Збудження квантового поля відрізняється від вакууму як своїми інформаційними характеристиками, так і енергетичними параметрами, які в рамках запропонованої математичної моделі транслюються в коливання площі горизонту і кривизну простору. Проте автори підкреслюють: це ще не означає остаточний доказ того, що вся гравітація породжується виключно інформацією. Висновки будуються на низці припущень, а самі розрахунки поки справедливі лише для конкретного класу квантових станів.
Перспективи побудови квантової гравітації
На поточному етапі представлена робота є фундаментальним теоретичним досягненням, а не готовою і експериментально підтвердженою теорією гравітації. Самі фізики розглядають дослідження як найважливіший етап на шляху до розуміння меж застосовності теорії інформації в описі макроскопічного світу. У найближчих планах дослідницької групи стоїть завдання по розширенню розробленого математичного підходу на більш складні і загальні квантові стани, а також на інші геометричні умови, що в перспективі може наблизити людство до створення повноцінної теорії квантової гравітації.
