Um novo estudo teórico oferece uma maneira possível de resolver um dos quebra-cabeças mais difíceis da física moderna: como o universo criou galáxias, estrelas, planetas e vida, obedecendo ainda à segunda lei da termodinâmica?
O estudo foi liderado pela professora Ginestra Bianconi, matemática da Queen Mary University of London. Seu trabalho investiga 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
A famosa afirmação de Einstein 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 em um sistema.
Este princípio representa um grande problema para a cosmologia. Os cientistas geralmente acreditam 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 complexas, desde galáxias e estrelas até planetas e organismos vivos.
Explicar como esta complexidade crescente pode coexistir com um aumento constante da entropia continua a ser um problema não resolvido.
Um novo olhar através da gravidade a partir da entropia
No artigo publicado em Exame físico DBianconi explora o quebra-cabeça usando a gravidade da entropia (GfE), uma abordagem proposta para a gravidade quântica.
A teoria usa insights da mecânica estatística para descrever a gravidade como algo que resulta das propriedades microscópicas da geometria do espaço-tempo. Em vez de ver a gravidade apenas como uma força fundamental ou como uma curvatura do espaço-tempo, o GfE a relaciona com a informação e a entropia no nível quântico.
A análise de Bianconi revela uma distinção 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 oferecer uma nova maneira de compreender como as estruturas organizadas podem evoluir localmente sem violar a segunda lei da termodinâmica.
Buracos negros combinam gravidade e calor
A ideia de que a gravidade e a termodinâmica estão profundamente ligadas remonta ao 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 mudaram a compreensão científica dos buracos negros e apontaram para uma ligação muito mais profunda entre espaço-tempo, informação, gravidade e calor.
A Gravidade da Entropia baseia-se nesta conexão mais ampla.
Segundo GfE, a gravidade surge de uma tensão informacional entre a métrica real do espaço-tempo e outra métrica criada pelos campos da matéria e pela curvatura do espaço-tempo. Uma métrica é uma estrutura matemática usada para descrever distâncias e geometrias no espaço-tempo.
Esta interpretação é expressa através do GfE Lagrangiano definido pela entropia relativa geométrica quântica (QGRE) entre duas métricas.
Possível conexão com a energia escura
Em baixas energias e sob condições de fraca curvatura do espaço-tempo, as equações da gravidade da entropia reproduzem a teoria geral da relatividade. Contudo, em condições mais extremas, as previsões começam a divergir.
Além deste limite fraco, as equações GfE produzem uma contribuição variável de energia escura. Como este termo está evoluindo dinamicamente, ele pode potencialmente criar previsões que os pesquisadores poderão eventualmente testar com observações cosmológicas.
O estudo examina esses efeitos termodinâmicos nos espaços-tempos cosmológicos de Friedman-Robertson-Walker, que são modelos matemáticos comumente usados para descrever um universo em expansão uniforme em grandes escalas.
Os resultados mostram que as componentes geométricas locais do espaço-tempo obedecem a uma versão da primeira lei da termodinâmica. Nesta descrição, a contribuição emergente da energia escura atua como energia interna, e a entropia relativa geométrica quântica (QGRE) representa a entropia local por unidade de volume.
As quantidades correspondentes à temperatura e pressão efetivas também decorrem naturalmente da teoria. Juntos, esses resultados sugerem que o estado quântico subjacente à gravidade da entropia pode ter uma natureza térmica intrínseca.
A expansão espalha a entropia pelo espaço
O estudo também destaca a importância do elemento de volume local definido pela métrica do espaço-tempo físico.
À medida que o universo se expande, seu volume aumenta. Na estrutura do GfE, um aumento no volume faz com que a entropia total aumente, embora o QGRE local em cada volume unitário diminua gradualmente.
Em outras palavras, o universo pode conter mais entropia como um todo, enquanto a entropia se torna mais amplamente distribuída no espaço em expansão. Este modelo termodinâmico incomum pode ajudar a elucidar como podem surgir regiões localizadas de estrutura e complexidade.
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.
Tal interpretação poderia fornecer novas formas de explorar a relação 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. Ainda assim, 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 mais amplo.
“Este trabalho mostra como a teoria da Gravidade da Entropia pode resolver a difícil questão de conciliar a segunda lei da termodinâmica com o surgimento da complexidade em nosso universo. Esses resultados podem abrir novos caminhos para investigar o antigo problema de reconciliar os fundamentos da irreversibilidade cosmológica, o surgimento de estruturas complexas e, em última análise, da vida, com a dinâmica gravitacional fundamental, “diz o professor Bianconi.
