一项新的理论研究为宇宙如何在不违反热力学第二定律的情况下变得更加复杂提供了一个可能的解释。利用一种名为“熵引力”（Gravity from Entropy）的量子引力框架，数学家吉内斯特拉·比安科尼（Ginestra Bianconi）发现，随着空间膨胀，宇宙的总熵可能会上升，即使单位体积内的熵在下降。这种下降可能为星系、恒星、行星和生命在宇宙熵整体增加的背景下在局部形成留出了空间。
这项研究由伦敦玛丽女王大学的数学家吉内斯特拉·比安科尼（Ginestra Bianconi）教授领导。她的工作考察了一种被称为“熵引力”的理论是否能有助于解释在宇宙总熵增加的同时，宇宙复杂性是如何涌现的。
宇宙的熵之谜
爱因斯坦有句名言：“热力学第二定律在自然规律中占据着独特的地位”，这反映了他认为该定律是物理学中最可靠、最基本的原则之一的观点。
热力学第二定律指出，孤立系统的总熵通常随时间增加。熵常被描述为无序度的量度，尽管它更准确地反映了能量和信息如何在系统内分布。
这一原理给宇宙学带来了重大挑战。科学家普遍认为，早期宇宙始于低熵状态，并稳步向高熵状态演化。与此同时，物质自行组织成日益复杂的结构，从星系和恒星到行星和生物体。
解释这种日益增长的复杂性如何与熵的持续增加共存，仍然是一个未解决的问题。
透过熵引力的新视角
在发表于《物理评论D》（Physical Review D）的一篇论文中，比安科尼利用熵引力这一量子引力的候选理论来研究这一谜题。
该理论利用统计力学的思想，将引力描述为从时空几何的微观性质中涌现出来的事物。GfE不仅仅将引力视为一种基本力或时空的曲率，而是将其与量子层面的信息和熵联系起来。
比安科尼的分析揭示了一个潜在的重要区别。虽然宇宙的总熵随时间增加，但随着宇宙膨胀，单位体积的熵却在减少。
这种行为可能提供了一种新途径，用于理解有组织的结构如何在局部形成而不违反热力学第二定律。
黑洞将引力与热联系起来
引力与热力学深度关联的观点可追溯到20世纪70年代雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的开创性工作。
他们的发现表明黑洞具有熵并能发射热辐射。这些发现改变了科学界对黑洞的理解，并指出了时空、信息、引力和热之间存在更深层的联系。
熵引力理论建立在这一更广泛的关系之上。
根据GfE理论，引力从实际时空度规与由物质场和时空曲率产生的另一个度规之间的“信息张力”中涌现。度规是用于描述时空中距离和几何结构的数学结构。
这一解释通过GfE拉格朗日量来表达，该量由两个度规之间的量子几何相对熵（QGRE）定义。
与暗能量的可能联系
在低能量和弱时空曲率条件下，熵引力方程复现了广义相对论。然而，在更极端的条件下，其预测结果开始出现差异。
超出这一弱场极限后，GfE方程产生了一个变化的暗能量贡献项。由于该参数是动态演化的，它可能产生研究人员最终可以通过宇宙学观测进行检验的预测。
该研究在弗里德曼-罗伯逊-沃克宇宙时空中考察了这些热力学效应，这是通常用于描述在大尺度上均匀膨胀的宇宙的数学模型。
结果表明，时空的局部几何分量遵循热力学第一定律的一个版本。在这一描述中，涌现的暗能量贡献项充当内能，而量子几何相对熵（QGRE）代表单位体积的局部熵。
对应于有效温度和压强的量也自然地从该理论中产生。这些结果共同表明，熵引力背后的量子状态可能具有固有的热性质。
膨胀将熵散布于空间
该研究还强调了由物理时空度规确定的局部体积元的重要性。
随着宇宙膨胀，其体积增大。在GfE框架内，体积的增加导致总熵上升，尽管每个体积单位内的局部QGRE逐渐下降。
换句话说，宇宙整体上可以包含更多的熵，而熵在膨胀的空间中分布得更加广泛。这种不寻常的热力学模式可能有助于阐明结构和复杂性的局部区域是如何产生的。
引力与时空可能是热力学的
这些发现支持了引力和时空具有信息和热力学基础的可能性。
这种解释可能为研究引力、量子理论、暗能量、宇宙演化以及复杂结构的涌现之间的关系提供新途径。
该提议仍处于早期理论阶段。然而，研究人员表示，它可能有助于在更广泛的框架内将广义相对论、热力学、量子力学和宇宙学联系起来。
比安科尼教授说：“这项工作揭示了熵引力理论如何解决将热力学第二定律与我们宇宙中复杂性的涌现相调和这一具有挑战性的问题。这些结果可能为研究宇宙不可逆性基础、复杂结构乃至最终生命的涌现与基本引力动力学相调和这一长期存在的问题开辟新途径。”