Gravitația și informația cuantică, legate printr-o nouă derivare a ecuațiilor lui Einstein
Un studiu publicat în revista Physical Review Letters arată că gravitația și informația cuantică sunt profund conectate și că forma spațiu-timpului poate fi urmărită înapoi la modul în care informația este stocată în câmpurile cuantice. Cercetarea sugerează că ecuațiile care descriu modul în care materia cuantică curbează spațiu-timpul pot fi obținute pornind de la entropia relativă cuantică, o măsură matematică din teoria informației cuantice.
Teoria relativității generale a lui Einstein descrie gravitația ca fiind curbura spațiului și timpului cauzată de materie și energie, în timp ce teoria cuantică descrie lumea microscopică. Unirea celor două rămâne una dintre cele mai mari probleme deschise din fizică. În 1995, fizicianul Ted Jacobson a arătat că ecuațiile lui Einstein pot fi derivate din termodinamică, sugerând că gravitația ar putea să nu fie fundamentală, ci să emeargă din ceva mai profund.
Autorii noului studiu reconstruiesc derivarea termodinamică a relativității generale prin metode matematice care conectează informația cuantică la geometria spațiu-timpului. În loc să se bazeze pe noțiunea clasică de entropie, ei folosesc entropia relativă cuantică, o măsură precisă care cuantifică cât de ușor pot fi distinse două stări cuantice.
Dr. Albert Much, profesor asistent de teoria câmpului cuantic și relativitate generală, coautor al studiului, a explicat că această mărime, evaluată la un orizont — o graniță în spațiu-timp dincolo de care nu poate fi primită informație — este egală cu energia care curge prin acel orizont. Combinată cu relația bine stabilită dintre entropie și aria orizonturilor, aceasta duce direct la ecuațiile care descriu modul în care materia cuantică curbează spațiu-timpul.
Autorii argumentează că semnificația rezultatelor lor constă în noutatea demonstrației, recunoscând totodată că elementele fundamentale ale conexiunii dintre informație și gravitație erau deja cunoscute. Ei subliniază însă că această relație a fost adesea prezentată prin intuiție fizică și argumente sugestive, mai degrabă decât printr-un cadru matematic riguros.
Philipp Dorau, fizician teoretician la Institutul de Fizică Teoretică al Universității Leipzig din Germania, coautor al studiului, a declarat că majoritatea ingredientelor lucrării sunt cunoscute de zeci de ani, dar progresele recente în înțelegerea entropiei relative au oferit veriga lipsă dintre informația cuantică, termodinamică și gravitație.
Cercetarea sugerează că gravitația este, în esență, ancorată în informația cuantică, iar modul în care spațiul și timpul se curbează ar putea fi guvernat de modul în care stările cuantice pot fi distinse între ele. Much a comparat acest lucru cu ciupirea unei coarde de chitară: materia este ciupitura, spațiu-timpul este coarda, iar nota produsă este ecuațiile lui Einstein.
Deși cercetarea nu are aplicații imediate, valoarea ei constă în aprofundarea înțelegerii fundamentelor naturii. Much a amintit că relativitatea generală, cândva considerată un cadru pur teoretic, este acum esențială pentru tehnologii precum GPS-ul, iar informația cuantică este același cadru care stă la baza calculatoarelor cuantice.
Autorii nu tratează gravitația ca o forță fundamentală de sine stătătoare, ci sprijină ideea că spațiu-timpul însuși ar putea emerge din structura informațională a universului cuantic. Ei intenționează să extindă rezultatele la scenarii mai generale, inclusiv diferite forme de materie cuantică, stări cuantice mai generale și suprafețe de tip lumină.
Much a declarat că echipa încearcă în prezent să generalizeze abordarea la gravitația cuantică completă, iar conexiunea identificată ar putea servi drept teren de test pentru diverse teorii ale gravitației cuantice. Obiectivul pe termen lung este de a clarifica cât de departe poate fi derivată gravitația doar din informația cuantică.
