Квантовая механика и общая теория относительности — два столпа современной физики. Первая описывает микромир частиц, вторая — гравитацию и структуру Вселенной. Но объединить их в единую теорию не удается уже больше века. Проблема в том, что они говорят на разных языках: квантовая механика опирается на вероятности и неопределенность, а теория относительности — на геометрию пространства-времени.

Особенно остро конфликт проявляется в экстремальных условиях — например, внутри черных дыр или в момент Большого взрыва. Однако авторы нового исследования показали, что в менее экстремальных сценариях два подхода могут не противоречить друг другу. Все началось с вопроса: зависит ли энтропия квантового объекта от наблюдателя?

Физик Лукас Селери (Lucas Celeri) из Федерального университета Гояс в Бразилии предположил, что энтропия — фундаментальная мера квантового хаоса — может меняться в зависимости от того, как наблюдатель движется в пространстве-времени. Вместе с коллегами он смоделировал эксперимент с квантовым осциллятором — аналогом маятника или пружины в микромире.

Статья по теме: Физики превратили свет в квантовую «сверхтвердую» материю

Ученые рассчитали, как энтропия осциллятора меняется для двух разных наблюдателей, движущихся по разным траекториям в искривленном пространстве-времени. Оказалось, что разница в их измерениях напрямую связана с различиями в их мировых линиях — путях, которые они описывают в четырехмерном континууме.

«Представьте: мы оба находимся в лаборатории, измеряем энтропию системы. Потом я улетаю на самолете вокруг Земли, возвращаюсь — и мы снова проводим замеры. Наши результаты будут разными, потому что моя мировая линия изменилась сильнее вашей», — объяснил Селери.

Этот вывод согласуется с теорией относительности, где каждый наблюдатель имеет собственное восприятие времени и пространства. Но он бросает вызов второму закону термодинамики, который утверждает, что энтропия замкнутой системы всегда растет. Теперь выяснилось, что для разных наблюдателей скорость этого роста может отличаться.

Статья по теме: Новый квантовый радар «‎поймает» самолет-невидимку и увидит раковую клетку

Американский физик-теоретик Джерард Милберн (Gerard Milburn) из Квинслендского университета отметил, что новая работа его коллеги впервые связывает общую теорию относительности с термодинамикой на квантовом уровне. Хотя результат не опровергает классические законы, он расширяет их интерпретацию.

Однако ключевой вопрос остается открытым: как применить эти выводы к реальным системам? Британский физик Иветта Фуэнтес Гуриди (Ivette Fuentes Guridi) из Саутгемптонского университета полагает, что следующий шаг — переход от осцилляторов к квантовым полям. Поля пронизывают все пространство, и их изучение в искривленном пространстве-времени может дать универсальные законы, объединяющие гравитацию и квантовую физику.

Другие эксперты видят в исследовании команды Селери потенциал для экспериментов. Если зависимость энтропии от наблюдателя подтвердят на опытах, это станет первым шагом к теории, описывающей все взаимодействия в искривленном пространстве-времени. Возможно, такая теория окажется глубже квантовой механики.

Статья по теме: Физики впервые запечатлели странную фрактальную «бабочку»

Исследование Селери и его коллег — не просто абстрактное упражнение для физиков-теоретиков. Оно открывает путь к экспериментам, где относительность наблюдения сталкивается с квантовой неопределенностью. 

Если энтропия действительно зависит от наблюдателя, это может перевернуть представления о времени, хаосе и самой природе реальности. Возможно, именно через энтропию ученые наконец поймут, как устроена ткань пространства-времени на квантовом уровне. Следующая цель физиков — проверить гипотезу в экспериментах с квантовыми полями. 

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.