عالم الرياضيات يقدم حلاً جديدًا للمفارقة الكونية الأساسية

يبحث بحث جديد في كيفية التوفيق بين الجاذبية والديناميكا الحرارية من خلال نظرية الجاذبية من الإنتروبيا.

ظهرت المجرات والنجوم والكواكب والحياة مع توسع الكون وأصبح أكثر تعقيدًا. ومع ذلك، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يقول إن الإنتروبيا الإجمالية لنظام معزول يجب أن ترتفع بمرور الوقت، مما يخلق سؤالا أساسيا: كيف يمكن للتنظيم الكوني المتزايد أن يتعايش مع قانون يرتبط عادة بالاضطراب المتزايد؟

وقد ذكر أينشتاين عبارته الشهيرة أن “القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحتل مكانة فريدة بين قوانين الطبيعة”، معربًا عن اعتقاده بأنه يصنف بين المبادئ الأساسية والأكثر ديمومة في الفيزياء. ووفقا للقانون الثاني، فإن الإنتروبيا الكلية داخل نظام معزول تميل إلى الزيادة مع مرور الوقت.

ولذلك فإن علم الكونيات يواجه لغزًا مستمرًا. يُعتقد عمومًا أن الكون المبكر قد بدأ في حالة إنتروبيا منخفضة قبل أن يتجه نحو إنتروبيا أعلى. ومع ذلك، خلال نفس التاريخ، تجمعت المادة في هياكل معقدة بشكل متزايد، مما أدى في النهاية إلى إنتاج المجرات والنجوم والكواكب والحياة. إن تفسير كيفية نشوء هذا النظام مع استمرار الإنتروبيا في النمو يظل تحديًا لم يتم حله.

نظرية تعيد صياغة لغز الإنتروبيا

في ورقة نشرت في المراجعة البدنية د, جامعة كوين ماري في لندن عالم الرياضيات البروفيسور جينيسترا بيانكوني يدرس المشكلة من خلال الجاذبية من الإنتروبيا (GfE)، وهي نظرية الجاذبية الكمومية التي تستخدم الميكانيكا الإحصائية لاشتقاق الجاذبية من درجات الحرية المجهرية داخل هندسة الزمكان.

وجد تحليلها للسلوك الديناميكي الحراري للنظرية أن الإنتروبيا الإجمالية للكون تزداد بمرور الوقت بينما تنخفض الإنتروبيا لكل وحدة حجم. ويترك هذا التمييز مجالًا لتفسيرات جديدة لكيفية تطور الهياكل المنظمة محليًا حتى مع ارتفاع الإنتروبيا الإجمالية.

تعود فكرة الارتباط الوثيق بين الجاذبية والديناميكا الحرارية إلى أعمال جاكوب بيكنشتاين وستيفن هوكينج في السبعينيات. أثبتت أبحاثهم أن الثقوب السوداء لديها إنتروبيا وتطلق إشعاعًا حراريًا، مما يشير إلى وجود علاقة أعمق بين الزمكان والمعلومات والحرارة.

الجاذبية تنشأ من معلومات الزمكان

تصف الجاذبية من الإنتروبيا (GfE) الجاذبية بأنها ناشئة عن توتر نظري للمعلومات بين مقياس الزمكان الفيزيائي ومقياس آخر تنتجه مجالات المادة والانحناء. المقياس هو البنية الرياضية المستخدمة لوصف المسافات والهندسة داخل الزمكان.

يظهر هذا التفسير في GfE Lagrangian من خلال الإنتروبيا النسبية الهندسية الكمومية (QGRE)، الذي يقيس العلاقة بين المقياسين. عند الطاقات المنخفضة والانحناء الضعيف، تُختزل معادلات الجاذبية النظرية إلى النسبية العامة. ولكن في ظل ظروف أقوى، فإنها تبدأ في الاختلاف.

خارج هذا الحد الضعيف، تولد المعادلات أيضًا مصطلحًا ديناميكيًا للطاقة المظلمة. ونظرًا لأن هذه المساهمة تتغير بمرور الوقت، فمن المحتمل أن تنتج ملاحظات تسمح للفيزيائيين باختبار النظرية.

التوسع يفصل بين الإنتروبيا الكلية والمحلية

استكشف البروفيسور بيانكوني الديناميكا الحرارية لـ GfE في الزمكان الكوني لفريدمان-روبرتسون-ووكر، وهي نماذج رياضية تستخدم لوصف الكون المتوسع والموحد على نطاق واسع.

تشير النتائج إلى أن درجات الحرية الهندسية المحلية تتبع القانون الأول للديناميكا الحرارية. ضمن هذا الوصف، يعمل مصطلح الطاقة المظلمة الديناميكية كطاقة داخلية، في حين يمثل الإنتروبيا النسبية الهندسية الكمومية (QGRE) الإنتروبيا المحلية لكل وحدة حجم. تنشأ أيضًا أشكال فعالة من درجات الحرارة والضغط بشكل طبيعي، مما يشير إلى أن الحالة الكمومية الكامنة وراء GfE قد يكون لها طابع حراري متأصل.

يلعب عنصر الحجم المحلي المحدد بواسطة المقياس المادي دورًا مركزيًا. ومع زيادة التوسع الكوني لهذا الحجم، يرتفع إجمالي الإنتروبيا، لكن كمية QGRE داخل كل وحدة حجم تنخفض. هذا الفصل بين الإنتروبيا الكلية والمحلية يعطي النظرية سلوكها الديناميكي الحراري المميز.

ويظل الجسر المحتمل نظريا

يقترح الإطار أن الجاذبية والزمكان قد يكونا مرتبطين بشكل أساسي بالديناميكا الحرارية والمعلومات. وإذا تم تطويره بشكل أكبر، فقد يقدم طريقة جديدة لدراسة العلاقات بين الجاذبية ونظرية الكم وعلم الكونيات وظهور التعقيد.

لا يزال الاقتراح في مرحلة نظرية مبكرة، لكن البروفيسور بيانكوني يقول إنه يمكن أن يساعد في معالجة الانقسامات القديمة بين النسبية العامة والديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم وعلم الكونيات.

ومن ثم، “يكشف هذا العمل كيف يمكن لنظرية الجاذبية الناتجة عن الإنتروبيا معالجة السؤال الصعب المتمثل في التوفيق بين المبدأ الثاني للديناميكا الحرارية وظهور التعقيد في كوننا. يقول البروفيسور بيانكوني: “قد تفتح هذه النتائج طرقًا جديدة للتحقيق في المشكلة طويلة الأمد المتمثلة في التوفيق بين أسس اللارجعية الكونية، وظهور الهياكل المعقدة، وفي نهاية المطاف الحياة، مع ديناميكيات الجاذبية الأساسية”.

المرجع: “الديناميكا الحرارية للجاذبية من نظرية الإنتروبيا” بقلم جينسترا بيانكوني، 16 يوليو 2026، المراجعة البدنية د.
دوى: 10.1103/26kn-thgp

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.