Гравитация как термодинамический цикл: физики предлагают новую модель Вселенной

Общая теория относительности, созданная Эйнштейном более ста лет назад, остаётся одним из краеугольных камней современной физики. Однако, несмотря на все свои успехи, она не способна объяснить целый ряд космологических явлений. Например, измеренная учёными космологическая постоянная — величина, характеризующая свойства вакуума, — значительно расходится с тем, что предсказывает теория. Это противоречие, известное как проблема космологической постоянной, остаётся одной из главных загадок современной науки.

Дуэт физиков под руководством Жуана Магейжу предложил принципиально иной подход к описанию гравитации. Вместо традиционных геометрических построений общей теории относительности они рассмотрели гравитацию с точки зрения термодинамики — как циклический процесс, подобный работе бензинового двигателя, описываемого циклом Отто. Результаты их работы опубликованы в престижном журнале Physical Review Letters.

Исследователи задались вопросом: что если термодинамический процесс, лежащий в основе гравитации, не сводится к простому потоку тепла? В обычной термодинамике тепло почти никогда не описывает всю картину целиком — в системе могут происходить химические реакции, расширение газа против поршня, совершаться работа или другие процессы. Физики добавили это недостающее звено в рассмотрение, не делая заранее предположений о том, какой будет новая теория.

Ключевой момент их подхода заключается в отказе от вырожденного случая, когда происходит только обмен теплом. Именно это открывает путь к новым теориям гравитации, включая те, где модифицируется закон сохранения массы и энергии. Исследователи обнаружили, что выведенная ими теория допускает рождение или уничтожение материи и энергии — возможность, которая противоречит одному из фундаментальных принципов классической физики.

Этот вывод почти заставил учёных отказаться от своей теории. Однако дальнейший анализ показал, что именно это свойство модели позволяет объяснить то, что не удаётся описать в рамках стандартной космологии. Обычная материя, согласно классическим представлениям, должна тормозить расширение Вселенной — это справедливо при стандартных законах сохранения энергии. В представленной модели обычная материя, напротив, способна приводить к ускорению расширения. Применённая ко Вселенной в целом, модель воспроизводит наблюдаемое ускорение космического расширения без использования тёмной энергии, космологической постоянной или любых других дополнительных сущностей.

Сами исследователи признают, что их работа пока находится на ранней стадии и требует дальнейшего развития. Предстоит детальное сравнение предсказаний модели с имеющимися космологическими данными и экспериментальными результатами. Как отмечает Магейжу, космология сегодня стала высокоточной наукой, управляемой данными, — в отличие от 1990-х годов, когда скудость наблюдений позволяла предлагать почти любые теории. Любая новая идея теперь должна пройти строгую проверку наблюдениями.

Тем не менее, сам факт того, что гравитацию можно описать в рамках термодинамического цикла с нарушением закона сохранения энергии, открывает новые горизонты для фундаментальной физики. Возможно, именно этот подход позволит разрешить противоречия между общей теорией относительности и квантовой физикой, создав единую картину устройства Вселенной.