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深层分析宇宙常数对生命进化的影响,外星人或许根本就“不是人”

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-08


地球上的每一个生物都是独一无二的。

今天存在的每一个物种都是根据自己所处的自然环境进化而来的。

地球上几乎所有的地方都被生物探索或者居住过。

决定地球上生命多样性的过程中,有许多不同的因素都在起作用。

这包括温度、水资源、地形、自然资源和日照充足都是地球生物圈的不同因素。

所有这些因素都在每一种生命形态的进化中刻画了生命的特征。

所以每种环境下的生命都以无数种形式发生进化。

这就造成了地球上所有生命彼此之间的多样性。

然而,我们如果要考虑外星生命的特征,在某种程度上我们需要参考重力的强度、母恒星、大气压力、大气含量、季节变化以及卫星的存在,这些因素对于地球上的所有生命来说就是一些宇宙常量,我们都以这样或那样的方式共同应对这些生命常数的存在。

所以地球上的生命从某种程度上说都惊人地相似。

《星际之门》系列中的阿斯加德与我们在20世纪对外星人的描述有着惊人的相似之处。

外星生命的概念对现在来说并不新鲜。

数千年来,科学家和梦想家都在探索外星生物的存在。

目前没有人能确定是否有外星生命存在于无限广阔的太空中,如果有的话,它肯定会根据其所在星球的独特环境发展出自己的特征,这点跟地球上的生命进化一样。

随着开普勒太空望远镜的启动,美国宇航局发现系外行星既丰富又具有多样性,每一颗都具有独特的行星属性。

生物学家,将尝试利用这些行星属性,通过与地球上已经存在于类似条件下的生命进行比较,来预测外星生命的复杂特征。

地球,我们唯一确定生命存在的地方。

我们必须用这里的生命作为模板来想象其他地方的生命是如何进化的。

因为我们只有一个关于生命进化的数据点(即地球),所以我们在分析的时候只能做一些假设。

因为地球上所有的生命都是以碳为基础的,所以我们将对外星世界的生命做出同样的假设。

这并不是说其他的生命形式是不可能,只是碳基生命是我们唯一确定存在的生命形式。

我们还将假设,这个外星世界上的生命与地球上的生命起源相同,进化的过程与地球上的进化过程相同,假设外星生命同样依赖于水,空气和营养。

通过这个前提,我们才有可能推测出在与我们截然不同的星球上复杂外星生命的特征和外表,我们才有可能回答这个问题:外星人会是什么样子?才会发现不同的宇宙常数对生命形成和进化的影响。

行星质量

重力加速度


2016年发现的按大小分类的系外行星图。

虽然我们对宇宙中系外行星的分布还没有完整的了解,但很明显,比地球质量大2-5倍的岩石行星是很常见的。

行星的质量影响着该行星的引力强度。

质量越大的行星的引力越大。

一个引力更大的行星很可能会为复杂的生命形式带来更短、更坚固的结构。

这种即短又坚固的特性既降低了坠落的势能,又能在更高的重力加速度下带来更大的稳定性。

强大重力也会对骨骼关节等造成更大的损害。

这意味着,在一个巨大的星球上,生命可能有更多的肌肉结构,而不是我们主要以骨骼为框架的结构。

大气含量/压力


根据行星的质量和表面温度,行星可以保留大气气体的图表。

一个巨大的岩石行星可能有能力保留氦气,以及我们今天在地球上看不到的其他气体。

地球上的大气主要由两种气体组成;氧和氮。

还有植物生命所必需的少量二氧化碳。

一个更大的行星,具有更大的引力,会吸引更厚的大气层。

这种较厚的大气还会容纳我们在地球上找不到的其他几种气体;

主要包括一些重量太轻,无法抵抗太阳风侵袭或者地球引力无法束缚住的气体。

这样一个更大的外星世界的生命将可能需要一个先进的呼吸过滤系统,以便过滤掉呼吸不需要的所有空气分子。

地形和水


一颗质量足够大的行星将有足够的引力使行星的表面完全变平,使整个世界变成一个巨大的浅海。

《星际穿越》里就有这样的场景。

一个质量更大的行星在数百万年的大气和雨水侵蚀过程中,强大的引力将有助于夷平山脉,填满峡谷。

在这样一个星球上,海洋的底部将会变平,形成广阔的浅海。

事实上,一个巨大的外星星球的表面可能被高达90%甚至更多的水覆盖。

在这样一颗行星上,海洋生物将会更加普遍丰富,陆地生物将不需要庞大的装备来应付多变的地形。

在一个小星球上,这种情况正好相反。

行星轨道、自转和轴向倾斜

平均温度


长耳兔的大耳朵在高温下可以增加的血液流动,以便更快地散热。

本质上,耳朵变成了生物散热器!

假设生命以碳为基础,生命诞生所需的温度在0到100摄氏度之间,分别对应液态水的冰点和沸点。

在地球上,我们星球的平均温度大约为15摄氏度。

液态水可以在0到100摄氏度之间的任何地方存在,事实上,在外星球厚厚的大气层中,会存在更高的温度。

只要外星生命在这样的温度下进化了数百万年,就有可能更接近液态水的高温屏障。

这样的生命需要一个先进的自然热控制系统来防止身体过热,比如高反射、低吸收率的外表面,甚至可能是一个基于全身流体的散热机制。

季节变化长度


TRAPPIST-1系统(外星系统)的所有行星都围绕它们的主恒星运行,其半径完全在围绕太阳的水星轨道半径之内,所有行星都在不到20天的时间内完成围绕主恒星的运行。

这意味着它们每年的季节变化发生在这个时间段。

如果一颗行星围绕着一颗较冷的恒星运行,那么它需要在离母恒星稍微近一点的地方运行,才能保持生命的平均温度。

这将带来较短的轨道周期,从而缩短季节。

较短的季节将造成在一年的过程中更快的温度和压力的变化,产生更频繁的风暴和天气现象。

这里的生命将要适应这样的环境。

相反,一颗行星围绕着一颗更热的恒星运行,比如一颗F型白星。

在这样一个世界里,冬天可以持续地球一年的大部分时间,酷热的夏天也同样长。

这些恒星的生命将被迫长时间地应对各种温度。

季节的变化

决定地球四季变化的,是地球的轴向倾斜,而不是它与太阳的距离

一颗行星的季节长度由它的轨道周期而决定,但是季节的实际变化情况将由该行星的轴向倾斜度决定。

随着倾角超过23度,地球上夏季和冬季之间的温度相差高达60度。

如果一个外星星球的倾角更大,一年中温度波动将更加明显。

因此,生命需要学会如何适应差异极大的温度,

一天的长度

一颗潮汐锁定的系外行星,在这个行星上,行星的一天的长度和它一年的长度一样。

行星上一天的长度是由自转速决定的。

行星自转越快,白天就越短。

快速旋转的星球将有活跃的大气和巨大的温度变化,将导致更大和更频繁的天气现象。

对于缓慢旋转的世界,情况正好相反。

一个缓慢旋转的行星的大气会更平静。

这些星球将有很长的白天,这将迫使生命进化出某些隐秘的属性,以便在漫长的夜晚狩猎(或避免被捕猎)。

小行星实际上可能被潮汐锁定在它们的主恒星上,因此行星的同一面总是朝向恒星。

生活在这半个世界上的生物甚至可能不知道黑暗的定义。

主星和系统

太阳能输出/波长

不同温度的恒星波长发射率的对数图。

请注意,人类所感知的“可见光”正处于太阳最强大的辐射波长的顶峰。

我们的太阳发出一种恒定的光源,其峰值波长约为500纳米。

地球上的生命进化到能观察到这种波长及其周围的光,这并非巧合,而是长期适应环境的过程。

在一颗围绕较小的红矮星运行的行星上,外星人可能会进化出更长的波长视野,对我们来说,这完全属于红外线。

他们的眼睛也可能对紫外线更加敏感,因为M级恒星看起来比我们天空中的太阳更大。

众所周知,较小的恒星比较平静、较大的恒星更活跃,会发出更多致命的耀斑。

大恒星周围的生命也需要更好地适应这种辐射,以免面临灭绝。

自然资源丰富度


球状星团,如M-80,是由大量缺乏金属的古老恒星组成。

这些恒星可能在岩石行星的形成以及生命的出现方面存在障碍。

一个星球的恒星系统也是自然资源丰富程度和类型的一个主要因素,一个较老的恒星系统可能更加纯净,由较轻的元素组成。

岩石行星的数量将少于气态巨行星,稀有元素的数量也将大大减少。

另一方面,一个较新的行星系统可能拥有前几个恒星系残余物的自然资源,自然资源丰富。

地球上的生命依赖于其中的一些重元素,如钙、钾和镁来发挥作用。

一个缺乏这些资源的世界可能在最初就难以形成生命。

另一方面,拥有更多这些资源的行星可能能够支持其表面上进化出生命并且具有生物多样性。

月亮的存在

虽然我们的月亮在夜间非常明亮,但它只有太阳的1/400,000

我们的月球在地球上生命进化的过程中发挥着巨大的作用。

它的亮度在夜晚足以照亮大部分地面,如果没有月亮,夜晚将是无尽的黑暗。

我们的月球是在一次非常偶然的碰撞中形成的,所以外星世界很可能没有这么大的月球,或者根本就没有月球。

在一个没有大卫星的外星星球上,生命需要适应黑暗而更好的发展他们的感官。

作为一个卫星?!

艺术家对能维持生命的卫星再现。

这样的卫星可以通过巨大的主行星磁场的存在来抵御太阳辐射。

外星行星本身也有可能是一个更大的气态巨行星的卫星,潮汐加热使其温度足以维持生命的存在。

例如,卫星很可能被潮汐锁定在它们的主行星上,它们一天的长度由它们围绕主行星的轨道长度决定,它们季节的长度和变化将分别由主行星轨道的时间和偏心率决定。

生命必须适应这一切。

一些科学家实际上认为,由于主行星巨型磁场的存在,这些卫星可能比地球更适合生命的生存。

这个巨大的防护罩将保护它的卫星免受有害的恒星辐射。

卫星和它们的母星也可能离主恒星更远,因为这些卫星可以被潮汐力加热,而不仅仅是通过恒星辐射来获得能量。

结语

如果外星生命真的存在,它肯定会和地球上进化出来的生命大不相同。

生命是多样性也反映了它们所处的环境。

也许,即使是宇宙中最奇怪、最恶劣的环境,也可以被本土生命进化的驱动力所征服。

但是也有这样一种可能性:生命在外星世界进化的方式,是以我们无法理解的形式进行的,如果真是这样,那么刚才分析的一切都将完全无效。

地球上的每一个生物都是独一无二的。

就像宇宙中不同星球上的每一个生物一样。

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