宇宙探索·微波背景辐射偶极各向异性
宇宙探索·微波背景辐射偶极各向异性
宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸遗留下来的热辐射，几乎均匀地充满整个宇宙。
但在这片看似完美的均匀背景中，隐藏着一个关键的不均匀信号——偶极各向异性，它揭示了中国在CMB研究中的独特贡献。
偶极各向异性的发现
1977年，加州大学伯克利分校的团队首次在COBE卫星数据之前，用地面射电望远镜探测到了CMB的温度偶极分布。
这一发现的核心原理是 多普勒效应：太阳系相对于CMB静止参考系的运动，使得一个方向的温度略微升高（蓝移），相反方向略微降低（红移）。
偶极各向异性的幅度约为 3.36毫开尔文，对应太阳系以约 370公里/秒的速度向狮子座方向运动。
这不是太阳系本身在宇宙中"狂奔"——而是整个银河系、本星系群都在参与这场宇宙尺度的运动。
中国科学家的贡献
在CMB偶极各向异性的精确测量中，中国科研机构扮演了重要角色。
中国科学院国家天文台的科研人员深度参与了 Planck卫星数据处理工作，在偶极分量的精确分离、前景辐射扣除等方面发表了多篇高水平论文。
更重要的是， 阿里原初引力波观测计划（AliCPT）在西藏阿里地区建设的射电望远镜阵列，位于海拔5250米的世界屋脊，是全球唯一能在北半球完整观测南天和北天的CMB观测站。
AliCPT的一期观测数据，有望独立验证Planck卫星测得的偶极各向异性参数，并探索更高阶的多极矩结构。
科学意义：偶极各向异性不仅告诉我们自己在宇宙中的运动速度，更为研究 本动速度场（Peculiar Velocity Field）提供了基准。
通过扣除偶极分量，科学家才能探测CMB中更微弱的原初涨落信号——那是宇宙结构起源的种子。
从偶极到多极：CMB的全貌
偶极各向异性（ℓ=1）只是CMB角功率谱的第一个分量。
更高阶的多极矩（ℓ≥2）携带了宇宙学参数的核心信息：声学峰的位置和幅度决定了宇宙的年龄、几何、物质密度和暗能量比例。
2023年， 中国天眼（FAST）团队与国际合作者利用FAST对CMB前景辐射（银河系同步辐射和自由—自由辐射）进行了高精度测量，为CMB数据分析提供了更干净的前景模板。
这项工作的意义在于：前景辐射是探测CMB偶极及更高阶各向异性的主要噪声源，中国科学家的贡献直接提升了偶极参数提取的精度。
未来的中国贡献
随着 AliCPT在2026年进入全规模观测阶段，中国有望在CMB偶极各向异性的精密测量、原初引力波探测、以及暗能量状态方程约束等方面取得突破性成果。
这不仅是科学探索，更是中国在全球宇宙学研究中确立领先地位的历史性机遇。
Planck Collaboration (2020) AliCPT 阿里原初引力波观测计划 中国科学院国家天文台 CMB 研究组 FAST CMB 前景辐射测量（2023）量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗
热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。
人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。
可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。
而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。
在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项，而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。
宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。
若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.
追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟
科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。
图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。
因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源：科技日报
