Um novo estudo teórico oferece uma maneira possível de resolver um dos quebra-cabeças mais difíceis da física moderna: como o universo produziu galáxias, estrelas, planetas e vida seguindo a segunda lei da termodinâmica?
A professora Ginestra Bianconi, matemática da Queen Mary University of London, liderou a pesquisa. Seu trabalho examina se uma teoria conhecida como gravidade da entropia pode ajudar a explicar como a complexidade cósmica surge mesmo quando a entropia total do universo aumenta.
O quebra-cabeça da entropia do universo
Einstein afirmou a famosa declaração de que “a segunda lei da termodinâmica ocupa uma posição única entre as leis da natureza”, reflectindo a sua visão de que é um dos princípios mais seguros e fundamentais da física.
A segunda lei afirma que a entropia total de um sistema isolado geralmente aumenta com o tempo. A entropia é frequentemente descrita como uma medida de desordem, embora reflita com mais precisão como a energia e a informação podem ser distribuídas dentro de um sistema.
Esse princípio representa um grande desafio para a cosmologia. Os cientistas geralmente pensam que o universo primitivo começou num estado de baixa entropia e moveu-se continuamente em direção a uma entropia mais elevada. Ao mesmo tempo, a matéria organizou-se em estruturas cada vez mais elaboradas, desde galáxias e estrelas até planetas e organismos vivos.
Explicar como esta complexidade crescente pode coexistir com um aumento contínuo da entropia continua a ser um problema não resolvido.
Uma nova visão da entropia através da gravidade
Em um artigo de pesquisa publicado Exame físico dBianconi investigou o quebra-cabeça usando a gravidade da entropia (GfE), uma abordagem proposta para a gravidade quântica.
A teoria usa ideias da mecânica estatística para descrever a gravidade como algo que surge das propriedades microscópicas da geometria do espaço-tempo. Em vez de tratar a gravidade apenas como uma força ou curvatura fundamental do espaço-tempo, o GfE a vincula à informação e à entropia no nível quântico.
A análise de Bianconi revela uma diferença potencialmente importante. Embora a entropia total do universo aumente com o tempo, a quantidade de entropia por unidade de volume diminui à medida que o universo se expande.
Este comportamento pode fornecer uma nova maneira de compreender como as estruturas organizadas podem desenvolver-se localmente sem violar a segunda lei da termodinâmica.
Buracos negros combinam gravidade e calor
O conceito de gravidade e termodinâmica está profundamente interligado com o trabalho pioneiro de Jacob Bekenstein e Stephen Hawking na década de 1970.
Suas descobertas mostraram que os buracos negros têm entropia e podem emitir radiação térmica. Estas descobertas transformaram a compreensão científica dos buracos negros e apontaram para conexões muito mais profundas entre espaço-tempo, informação, gravidade e calor.
A entropia com a gravidade torna essa relação ampla.
De acordo com GfE, a gravidade surge de uma tensão informacional entre a métrica do espaço-tempo real e outra métrica produzida pelo campo de matéria e pela curvatura do espaço-tempo. Uma métrica é uma estrutura matemática usada para descrever distâncias e geometrias no espaço-tempo.
Essa interpretação é expressa através do GfE Lagrangiano, que é definido pela entropia relativa geométrica quântica (QGRE) entre duas métricas.
Uma possível ligação com a energia escura
Em baixas energias e no caso de fraca curvatura do espaço-tempo, as equações da gravidade da entropia reproduzem a relatividade geral. Em situações mais extremas, porém, as previsões começam a divergir.
Além deste limite fraco, as equações GfE produzem uma contribuição variável de energia escura. À medida que este termo evolui dinamicamente, pode potencialmente gerar previsões que os investigadores poderão eventualmente testar com observações cósmicas.
O estudo examina esses efeitos termodinâmicos nos espaços-tempos cosmológicos de Friedman-Robertson-Walker, um modelo matemático comumente usado para descrever um universo que se expande uniformemente em grandes escalas.
Os resultados indicam que os elementos geométricos locais do espaço-tempo obedecem a uma versão da primeira lei da termodinâmica. Nesta descrição, a contribuição emergente da energia escura serve como energia interna, enquanto a entropia relativa geométrica quântica (QGRE) representa a entropia local por unidade de volume.
Quantidades correspondentes à temperatura e pressão efetivas também surgem naturalmente da teoria. Juntos, esses resultados sugerem que o estado quântico subjacente à gravidade da entropia pode ter um caráter térmico intrínseco.
A expansão espalha entropia por todo o espaço
O estudo também enfatiza a importância do componente de volume local determinado pela métrica do espaço-tempo físico.
À medida que o universo se expande, seu volume aumenta. Na estrutura do GfE, esse volume crescente resulta num aumento na entropia total, mesmo que o QGRE local diminua gradualmente dentro de cada unidade de volume.
Em outras palavras, o universo como um todo pode conter mais entropia quando a entropia está mais amplamente distribuída no espaço. Este padrão termodinâmico incomum pode ajudar a elucidar como a formação e complexação local podem surgir.
A gravidade e o espaço-tempo podem ser termodinâmicos
As descobertas apoiam a possibilidade de que a gravidade e o espaço-tempo tenham bases informacionais e termodinâmicas.
Tais explicações podem fornecer novas formas de investigar as relações entre a gravidade, a teoria quântica, a energia escura, a evolução cósmica e o surgimento de estruturas complexas.
A proposta permanece numa fase teórica inicial. No entanto, os investigadores dizem que isso poderia contribuir para os esforços para unificar a relatividade geral, a termodinâmica, a mecânica quântica e a cosmologia num quadro abrangente.
“Este trabalho revela como a gravidade na teoria da entropia pode abordar a questão desafiadora de reconciliar a segunda lei da termodinâmica com o surgimento da complexidade em nosso universo. Esses resultados podem abrir novos caminhos para investigar o problema de longa data de coordenação da base da invariância cosmológica, da vida complexa e da estrutura emergente. Dinâmica gravitacional, “disse o professor Bianconi.
