Физики связали уравнения Эйнштейна с квантовой информацией

Физики Филипп Дорау и Альберт Мух предложили способ вывести полуклассические уравнения Эйнштейна, используя понятие квантовой относительной энтропии. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, укрепляет гипотезу о том, что гравитация может быть связана с более глубокими информационными свойствами квантовых систем. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени под действием материи и энергии. Квантовая теория объясняет поведение микромира.

Создание единой теории, которая согласует эти два описания природы, остаётся одной из главных нерешённых задач физики. Исследование развивает подход Теда Джейкобсона, который в 1995 году показал, что уравнения Эйнштейна можно получить из термодинамических соотношений. Это позволило рассматривать гравитацию как возможное коллективное проявление более фундаментальных процессов — подобно тому, как свойства газа возникают из движения множества молекул. Дорау и Мух использовали квантовую относительную энтропию — математическую величину, характеризующую различимость двух квантовых состояний. В данном случае они сравнивали вакуумное состояние с определёнными возбуждёнными состояниями скалярного поля.

Такой подход позволяет описывать информационные различия между «пустым» пространством и состоянием, содержащим возбуждение поля. Расчёты касались горизонтов — границ, ограничивающих доступ наблюдателя к информации. Для рассмотренного класса состояний авторы установили связь относительной энтропии с потоком энергии через горизонт. Затем они приняли соотношение Бекенштейна — Хокинга, связывающее энтропию горизонта с его площадью. Объединение этих результатов позволяет получить полуклассические уравнения гравитации. В таком описании пространство-время остаётся классическим, а материя рассматривается с помощью квантовой теории. Поэтому результат ещё не означает создания полной квантовой теории гравитации.

Вывод также опирается на определённые предпосылки и пока относится к специальному классу квантовых состояний — когерентным возбуждениям скалярного поля. По словам исследователей, ценность работы заключается в более строгом математическом изложении связи между информацией, энергией и геометрией. Многие составляющие этой связи были известны прежде, однако новый подход заменяет часть термодинамических рассуждений точно определённой квантовой величиной.

Авторы намерены распространить метод на более общие состояния и другие виды квантовой материи. Непосредственных практических применений у исследования пока нет. Его значение — в поиске принципов, которые помогут понять, насколько далеко можно продвинуться в объяснении гравитации через квантовую информацию.

• Физики научились управлять «закрученностью» света с помощью его внутренней структуры
• Физики обнаружили необычный «провал» в данных о сверхплотной материи
• Учёные предложили связывать удалённые кубиты колебаниями кристалла
• Учёные создали самые точные атомные часы в мире
• Учёные предложили превращать пластиковые отходы в бензин и дизельное топливо
• ИИ и смешанную реальность впервые объединили при установке зубного импланта
• Капли воды могут повреждать краску микроскопическими электрическими разрядами
• Умные часы завышают расход калорий: учёные проверили четыре популярные модели