当我们思考与宇宙相关的问题时,外星生命成为了人们最关注的话题之一。

我们一直在期待着什么时候能够发现它们。
科学界目前采用的主要方法是射电监听法,通过建造大型单体射电望远镜或者射电望远镜阵列来进行观测。
这些设备能够被动地收集宇宙中弥散的电磁波信号,尽管大部分信号来自临近的恒星、黑洞或中子星,但天文学家相信,在无尽的射电源中,只要给予足够的时间,我们总能找到属于外星生命的痕迹。
历史上,著名的"wow信号"被认为是一种高度可疑的外星信号,然而它只在短暂的瞬间出现,因此天文学家们很快将其遗忘。
目前,地球上最有希望接收到外星信号的地方是中国贵州省的大山深处,那里拥有直径为500米的中国天眼射电望远镜(FAST),其极高的灵敏度使其理论上能够接收到甚至月球上的电话信号。
除了被动监听,科学家们也在寻找地球上的外星生命痕迹。
在最近的美国UFO听证会上,美国海军公开承认在2004年至2015年期间拍摄到了三个无法确定身份的不明飞行物。

这些飞行物的速度极快,远远超过人类现有的技术水平。
然而,和以往的UFO事件一样,这次听证会上并没有提供与这些飞行物相关的高清图像,对它们的来历我们也知之甚少。
科学界对于外星生命的存在持有乐观的态度。
哈勃望远镜和韦伯望远镜的观测结果表明,我们的宇宙中存在着数万亿个星系,每个星系都拥有数千亿颗恒星。
在如此众多的恒星存在下,即使外星生命存在的概率只有几十亿分之一,甚至几百亿分之一,宇宙中的外星文明数量仍然是相当可观的。
根据德雷克方程,专门用于计算外星文明数量的公式,银河系至少可能存在36种外星文明,而人类只是其中之一。
关于外星生命的具体形态,科学界目前仍然只能进行猜测。
尽管我们对地球上的生命形式都尚未完全了解,但去想象几万光年外的星球上的外星生命形态几乎是不可能的。
甚至外星生命是否是碳基生命都是未知的,因为宇宙中不仅存在碳元素,还存在硅元素。
从理论上讲,硅原子也可以形成长链分子,从而产生硅基生命。

即使外星生命和我们一样都是以碳为基础的生物,由于在两个完全不同的星球上,进化历程也必然不同,外星生命的形态将与地球上的任何生物都不同。
因此,外星生命的形象远非人类可以通过地球上的生物来揣测。
据天文学家认为,当外星生命真正被人类大众看到时,许多人可能会经历精神紊乱。
外星生命是一种前所未见、超出人类想象的全新存在,人类的大脑在短时间内无法适应和分析外星生命的形象,因此可能会出现短暂的认知障碍。
宇宙中是否存在外星生命仍然是一个未解之谜。
但随着科学技术的发展,我们可能会更接近回答这个问题的时刻。
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