Einstein var inte främmande för matematiska utmaningar. Han kämpade för att definiera energi på ett sätt som erkände både lagen om energibevarande och kovarians, vilket är den allmänna relativitetsteoriens grundläggande drag där fysiska lagar är desamma för alla observatörer.

En forskargrupp vid Kyoto-universitetets Yukawa Institute for Theoretical Physics har nu föreslagit en ny metod för detta långvariga problem genom att definiera energi för att införliva begreppet entropi. Även om en hel del ansträngning har lagts ner på att förena elegansen av allmän relativitet med kvantmekaniken, säger teammedlemmen Shuichi Yokoyama:"Lösningen är chockerande intuitiv."

Einsteins fältekvationer beskriver hur materia och energi formar rumtiden och hur rymdtidens struktur i sin tur förflyttar materia och energi. Att lösa denna uppsättning ekvationer är dock notoriskt svårt, till exempel att fastställa beteendet hos en laddning som är associerad med en energimomentumtensor, den besvärliga faktorn som beskriver massa och energi.

Forskargruppen har observerat att bevarandet av laddning påminner om entropi, vilket kan beskrivas som ett mått på antalet olika sätt att ordna delar av ett system.

Och så är det:Konserverad entropi trotsar denna standarddefinition.

Förekomsten av denna bevarade kvantitet motsäger en princip i grundläggande fysik som kallas Noethers teorem, där bevarande av vilken storhet som helst uppstår på grund av någon form av symmetri i ett system.

Förvånad över att andra forskare inte redan har tillämpat denna nya definition av energimomentum-tensorn, tillägger en annan gruppmedlem, Shinya Aoki, att han "också är intresserad av att i allmänt krökt rumtid kan en bevarad kvantitet definieras även utan symmetri."

I själva verket har teamet också tillämpat denna nya metod för att observera en mängd olika kosmiska fenomen, som universums expansion och svarta hål. Även om beräkningarna stämmer väl överens med det för närvarande accepterade beteendet för entropi för ett svart hål från Schwarzschild, visar ekvationerna att entropintätheten är koncentrerad till singulariteten i mitten av det svarta hålet, ett område där rumtiden blir dåligt definierad.

Författarna hoppas att deras forskning kommer att stimulera djupare diskussioner bland många forskare, inte bara inom gravitationsteori utan också inom grundläggande fysik.