Гравитация кажется самой привычной силой в нашей жизни. Но именно она остаётся самой загадочной для науки. Стандартные теории не могут объяснить ни ускоренное расширение Вселенной, ни вращение галактик — для этого приходится изобретать тёмную материю и тёмную энергию, которые вместе составляют 95% всего сущего, но до сих пор не обнаружены напрямую. А ещё нет решения проблемы квантовой гравитации. Физик Мелвин Вопсон предлагает взглянуть на гравитацию иначе: информация, утверждает он, столь же фундаментальна, как масса и энергия, а гравитация — это способ Вселенной минимизировать сложность информации. Его идеи прозвучат на фестивале HowTheLightGetsIn в сентябре, где Вопсон выступит в дискуссии с Адамом Франком, Иветт Фуэнтес и Дэниелом Уайтсоном; среди спикеров также Роджер Пенроуз, Сабина Хоссенфельдер, Эмили Уилсон.

Информация как фундамент

В последние годы в гравитационной физике наметился новый подход, выросший из теории информации и информационной физики. Если применить второй закон информационной динамики и принцип эквивалентности массы, энергии и информации, гравитационное притяжение можно представить как процесс сжатия данных. Вселенная стремится минимизировать информационную энтропию, связанную с распределением материи в пространстве. Материя эволюционирует к конфигурациям с меньшей информационной сложностью, и возникающая при этом энтропийная сила проявляется макроскопически как гравитация. Любопытно, что такой информационно-теоретический подход естественным образом воспроизводит закон тяготения Ньютона. Возможно, гравитация — следствие фундаментальной информационной динамики, своего рода вычислительный процесс оптимизации, идущий в физической Вселенной.

Почему гравитацию хочется переписать

Исследования гравитации переживают новый виток концептуальных поисков. Причина — упорные эмпирические загадки, которые ставят под сомнение полноту и ньютоновской механики, и общей теории относительности. Общая теория относительности блестяще работает в огромном диапазоне масштабов — от динамики Солнечной системы до гравитационных волн. Но для объяснения наблюдений на галактических и космологических масштабах ей требуются тёмная материя и тёмная энергия. Вместе они составляют примерно 95% предполагаемой плотности энергии Вселенной, однако ни одну из них до сих пор не зарегистрировали напрямую. Модифицированные модели гравитации исходят из того, что потребность в этих невидимых компонентах может указывать на неполноту нашего понимания самой гравитации. Есть и другие эмпирические стимулы для развития новых моделей.

Первый мощный стимул — кривые вращения галактик. Звёзды в спиральных галактиках движутся по орбитам с почти постоянной скоростью далеко за пределами видимого распределения вещества. По Ньютону орбитальная скорость должна падать с удалением от центра галактики, но этого не происходит. В рамках общей теории относительности расхождение объясняют массивными гало из несветящейся тёмной материи. Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) предлагает иначе: изменить сам закон тяготения Ньютона при ускорениях ниже характерного порога — около 10^-10 м/с². Кстати, мы уже рассказывали похожем случае, как телескоп «Гершель» находил галактики, где тёмной материи в разы меньше, чем нужно для их стабильности, но звёздообразование идёт полным ходом — это тоже ставит под вопрос роль невидимого вещества как фундамента.

Информация вместо тёмной материи

Что, если гравитация — не фундаментальная сила, а следствие того, как Вселенная обрабатывает информацию? Физик Мелвин Вопсон предлагает именно такой взгляд. В его теории пространство на планковском масштабе дискретно и работает как носитель информации о положении и движении материи. Гравитация же возникает как энтропийная сила, заставляющая материю сжиматься в конфигурации с минимальной информационной энтропией. Такой подход воспроизводит закон тяготения Ньютона и, возможно, объясняет ускоренное расширение Вселенной и вращение галактик без тёмной материи и тёмной энергии.

Идея не нова: ещё Ричард Фейнман предполагал, что в каждой точке пространства есть «число», и сила на объект направлена туда, где это число меняется быстрее всего. Вопсон доводит эту мысль до конкретной модели: элементарная ячейка пространства площадью в планковский квадрат хранит один бит. Пустая ячейка — ноль, занятая материей — единица. Трёхмерное пространство собирается из двумерных слоёв, как луковица, что согласуется с голографическим принципом и энтропией чёрных дыр Бекенштейна.

Второй закон инфодинамики против второго закона термодинамики

Ключевой элемент теории — второй закон инфодинамики. В отличие от второго закона термодинамики, требующего роста энтропии, он утверждает: информационная энтропия системы должна уменьшаться или оставаться постоянной. Вопсон уже применял этот закон к цифровым и биологическим информационным состояниям, к электронным конфигурациям атомов и к объяснению обилия симметрий во Вселенной. Теперь он распространяет его на распределение материи в пространстве.

Представьте множество частиц, разбросанных по ячейкам. Информационная энтропия такой конфигурации высока. Второй закон инфодинамики заставляет систему эволюционировать к состоянию, где все частицы сливаются в одну — в одной ячейке, в центре масс. Это минимум информационной энтропии. Масса сохраняется, но информационное описание становится максимально простым. Возникающая при этом сила притяжения между частицами и есть гравитация.

Почему тёмная материя и тёмная энергия могут не понадобиться

Стандартная космология вводит тёмную материю, чтобы объяснить скорости вращения галактик и массы скоплений, выведенные из гравитационного линзирования. Тёмная энергия нужна для ускоренного расширения Вселенной, но её наблюдаемая плотность чудовищно мала по сравнению с предсказаниями квантовой теории поля — это проблема космологической постоянной. Модифицированные теории гравитации, такие как f(R), пытаются обойтись без тёмной энергии, меняя сами уравнения поля на больших масштабах. Расхождение в измерениях постоянной Хаббла тоже подталкивает к пересмотру гравитационной динамики.

Информационный подход Вопсона идёт дальше. Если гравитация — энтропийная сила, стремящаяся минимизировать информацию, то на космологических масштабах она может давать эффекты, которые мы приписываем тёмной материи и тёмной энергии. Ускоренное расширение, вращение галактик, динамика скоплений — всё это, возможно, следствия одного и того же информационного принципа, а не отдельных невидимых сущностей.

Мы уже писали о том, как телескоп «Гершель» нашёл галактики, растущие без тёмной материи, что ломает привычную теорию. А в 2006 году физики показали, что гравитация меняется на миллиардах световых лет, разгоняя Вселенную без тёмной энергии. Новая теория Вопсона предлагает единый механизм для обоих явлений.

От квантовой гравитации к эмерджентному пространству

Современная физика разрывается между общей теорией относительности и квантовой механикой. Теория струн, петлевая квантовая гравитация, эмерджентные сценарии — все они ищут способ примирить эти две картины мира. Общая тема многих программ: пространство-время не фундаментально, оно возникает из более глубоких информационных структур.

Вопсон опирается на дискретность пространства на планковском масштабе. Квантовая механика даёт основания считать, что пространство не непрерывно. Если каждая планковская ячейка хранит бит информации, то гравитационное взаимодействие — это процесс перезаписи информации при движении материи. Сила направлена туда, где информационное содержание меняется быстрее всего, — ровно как предполагал Фейнман.

Что это меняет

Если информационная физика верна, тёмная материя и тёмная энергия могут оказаться не физическими субстанциями, а артефактами нашего непонимания гравитации. Не нужно искать частицы, которые не удаётся поймать десятилетиями, и не нужно мириться с космологической постоянной, чьё значение абсурдно мало. Вместо этого — один принцип минимизации информации, который объясняет и падение яблока, и вращение галактик, и разбегание Вселенной.

Теория Вопсона будет обсуждаться на фестивале HowTheLightGetsIn. Там, среди философов и физиков, она либо получит поддержку, либо столкнётся с жёсткой критикой. Но уже сейчас ясно: идея о том, что пространство — это носитель информации, а гравитация — способ эту информацию сжать, заставляет взглянуть на Вселенную иначе.