一项新的理论研究提供了一种可能的方式来解决现代物理学中最棘手的难题之一：宇宙如何在遵循热力学第二定律的同时产生星系、恒星、行星和生命？这项研究由伦敦玛丽女王大学的数学教授基涅斯特拉·比安科尼领导。她的工作考察了一种被称为熵引力的理论是否能帮助解释在宇宙的总熵增加时，宇宙复杂性是如何出现的。宇宙的熵之谜爱因斯坦曾著名地指出：“热力学第二定律在自然法则中占据独特的位置”，体现了他认为它是物理学中最安全和最基本原则之一的观点。第二定律表明，孤立系统的总熵一般随着时间的推移而增加。熵通常被描述为无序的度量，虽然它更准确地反映了能量和信息在系统内如何分配。这个原则为宇宙学带来了重大挑战。科学家普遍认为，早期宇宙以低熵状态开始，并且在不断向更高熵状态移动的同时，物质已经组织成越来越复杂的结构，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上升共存仍然是一个未解决的问题。通过熵引力的新视角在《物理评论D》上发表的论文中，比安科尼使用熵引力（GfE）研究这一难题，这是一种被提议的量子引力方法。该理论使用统计力学的思想将引力描述为从时空几何的微观属性中产生的东西。GfE不仅将引力仅仅视为基本力或时空的曲率，还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。尽管宇宙的总熵随着时间增加，但每单位体积的熵在宇宙扩展时却在减少。这种行为可能为理解组织结构如何在不违反热力学第二定律的情况下局部发展提供了一种新方式。黑洞的连接引力和热量引力与热力学之间深刻联系的想法可以追溯到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，并能发出热辐射。这些发现改变了科学界对黑洞的理解，并指向时空、信息、引力和热之间更深层的联系。熵引力在这一更广泛关系的基础上进行构建。根据GfE，引力源于实际时空度量与由物质场和时空曲率产生的另一度量之间的信息张力。度量是描述时空中距离和几何的数学结构。这一解释通过GfE拉格朗日表达出来，它由两个度量之间的量子几何相对熵（QGRE）定义。与暗能量可能的联系在低能量和弱时空曲率条件下，熵引力的方程重现了广义相对论。然而，在更极端的条件下，预测开始有所不同。在这个弱极限之外，GfE方程产生了变化的暗能量贡献。由于这个项动态演变，它可能产生研究人员最终可能通过宇宙观测测试的预测。这项研究考察了在弗里德曼-罗伯逊-沃克宇宙时空中的这些热力学效应，该模型通常用于描述在大尺度上均匀扩展的宇宙。结果表明，时空的局部几何组分遵循热力学第一定律的一个版本。在这一描述中，产生的暗能量贡献起到内部能量的作用，而量子几何相对熵（QGRE）则代表了每单位体积的局部熵。与有效温度和压力相对应的量也自然地产生于理论中。这些结果共同表明，支撑熵引力的量子状态可能具有内在的热特征。扩展在空间中传播熵这项研究还强调了由物理时空度量决定的局部体积元素的重要性。随着宇宙的扩展，其体积增加。在GfE框架内，这一增长的体积导致总熵上升，尽管每单位体积內的QGRE逐渐下降。换句话说，宇宙可以整体包含更多的熵，同时熵在不断扩展的空间中变得更加广泛分布。这种不寻常的热力学模式可能有助于澄清如何产生局部的结构和复杂性。