在1950年的某一天,著名物理学家恩里克·费米与三位同行共进午餐,并一同探讨了有关宇宙飞船和外星生命的想法。

就在这个平凡的午后,费米突然提出了一个引人深思的问题:"外星生命,它们究竟在哪里呢?"这个问题一出口,整个室内陷入了寂静。
半个多世纪后的今天,根据哈勃望远镜拍摄到的星系数量照片以及天文学家的推测,我们相信在当前可观测的宇宙范围内,至少存在着约2万亿个星系。
每个星系中都拥有数千亿颗恒星,而我们所在的银河系就拥有约1000亿到4000亿颗恒星。
从理论上来说,每颗恒星周围至少存在一颗行星。
因此,仅仅在这千亿颗恒星中就存在着大量的世界。
尽管其中大部分世界并不适合人类居住,但考虑到地球形成的概率大约是千万分之一,在如此庞大的数量面前,适宜人类居住的星球也应该有很多。
至少,这个数量应该超过当前地球的人口数量,每个人都可以拥有属于自己的星球。
目前的情况是,在若干个类似地球的星球上,我们的地球已经孕育出了生命并发展出了人类文明。
然而,人类的天文学家却迄今为止在宇宙中未能发现其他生命和文明的迹象。
这种情况非常反常,就像整座城市只有一个居民一样。

当然,有人可能会说生命的诞生概率太小,所以宇宙中可能只存在人类这一个文明。
然而,我们不能忽视的是,人类和地球上生命的存在本身就说明了生命和智慧文明出现的概率尽管很小,但并非为零。
而且考虑到宇宙中的行星数量,外星生命和外星文明几乎可以肯定地存在着。
德雷克方程被用来计算外星文明的数量,根据这个方程,仅仅在银河系内就可能存在至少10万个能够产生生命和文明的世界,也就是潜在的10万个外星文明。
这个数字意味着在每400万颗恒星中,就可能至少有一个具备使用无线电进行交流的文明。
而在500光年的范围内,我们有望探测到这些文明的存在。
因此,我们离发现外星生命其实并不遥远,可能只需要几十年,甚至可能只是明天的事情。
宇宙已经存在了138.2亿年。
而人类文明的历史只有一万年左右,科学史更短,只有三四百年。
真正运用高精尖设备观测宇宙的历史更是只有几十年而已。
在这漫长的138.2亿年中,只要存在一个文明的诞生时间比人类文明早一点点,例如一千年或者一万年,那么这个文明的科技水平将会超出我们的想象,就像一万年前的人类无法想象今天的科技一样。
因此,尽管我们迄今为止还没有直接探测到外星生命的存在,但从理论上来说,宇宙中应该存在着大量的外星文明。
我们只是在宇宙时间的尺度上刚刚开始寻找,并且我们的技术还有限。

随着科学技术的进步,我们有望在未来发现外星生命的证据。
在寻找外星生命的过程中,科学家们使用了各种方法和工具。
例如,他们通过射电望远镜搜索宇宙中的无线电信号,希望能够捕捉到来自外星文明的通讯。
他们还研究行星的大气层,寻找可能存在生命的迹象,例如氧气等生命所产生的化学物质。
还有一些天文学家提出了"稀疏生命假设",认为外星文明可能会选择保持低调,不主动与其他文明接触,以避免潜在的危险。
这种假设认为,即使在宇宙中存在大量外星文明,我们可能永远无法直接接触到它们。
关于外星生命的存在与否,科学界的观点仍然存在争议。
目前的证据还不足以明确地证明外星生命的存在,但我们对宇宙的了解还很有限。
随着科学技术和观测设备的不断发展,我们有望在未来的探索中找到更多的线索,揭示宇宙中是否存在其他生命和文明。
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.
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