微重力对宇航员有着诸多的生理影响;当人体不再需要对抗引力,人体的骨密度和肌肉质量就开始降低,从建立空间站开始,这样的问题就一直困扰着宇航员。

现在,生活在国际空间站的宇航员有多种严格的强化锻炼方式,包括将自己绑在跑步机上锻炼和其他方式。
虽然如此,人们关于宇宙旅行对皮肤的影响却所知甚少。
皮肤是人体最大的器官,在很多情况下,皮肤是抵御病菌的第一道防线。
在20世纪90年代,只要提起空间站,人们就是在说苏联的“和平号”。
一项针对“和平号”空间站19名成员的研究表明宇航员人体受到最常见的损害就是轻度皮肤损害,大部分宇航员抱怨皮肤瘙痒和空气干燥。
对于宇航员的这些抱怨,空间站内的低湿度被认为是根源所在。
德国宇航员托马斯·瑞特在国际空间站生活的六个月的时间里,使用超声波对自己皮肤进行测试了,在此之前,对与宇航员的皮肤损害的问题,没人会给予更多考虑。
测试后果显示托马斯·瑞特的皮肤弹性有了巨大改变,但这些测试后果只是当作一个数据增加了早期航天记录里。

这些数据来自于六只勇敢的老鼠,这些老鼠当作“老鼠抽屉系统”的一部分,在国际空间站呆了91天。
“老鼠抽屉系统”是一种自足式物种居住舱,在2008年随着“发现号”航天飞机被带入宇宙。
另一个完全相同的自足式物种居住舱留在了地球上。
众多研究团队利用干预时间检测了剩余的老鼠。
三只宇宙鼠在实验中死亡,这表明这三只宇宙鼠不适合宇宙旅行,随后,剩余的老鼠也被牺牲掉了。
贝蒂·努斯珺斯是比利时列日大学的职员,她和她的同事获准接触上述两组老鼠的皮肤样本。
只有三只宇宙鼠和六足留在地球上的与之进行对照的老鼠,贝蒂·努斯珺斯他们的分析很难得出可靠的结论。
贝蒂·努斯珺斯团队的分析报告仍然发表在了《NPJ微重力》杂志上,该报告指出在这三只宇宙鼠在进行宇宙旅行期间,它们的皮肤发生了重大变化。
贝蒂·努斯珺斯团队发现宇宙鼠的皮肤比留在地球的老鼠要薄15%。
此外,宇宙鼠的全部毛囊都处在生长期,,而留在地球的六只老鼠,有五只老鼠的毛囊处于静止期。
由于毛发的生长能临时性地刺激皮肤增加厚度,要不然,宇宙鼠的皮肤还将变得更薄。

贝蒂·努斯珺斯团队还检测了与皮肤调节毛发生长的基因,发现两组老鼠有400多个基因的相对活性不相同。
由于缺少更多数据,贝蒂·努斯珺斯团队这项发现饱受质疑。
此外,贝蒂·努斯珺斯博士也表示:“老鼠不是人类。
”例如,老鼠的皮肤下面有一层肌肉,而人类身体的生理结构却不是这样。
如果在一个微重力的环境里,人类生活了相同的时间如几年时间,人类身体将发生如何样的变化?这仍然是一个有待探索的问题。
应当很快就有答案了,一项被称为“皮肤-B”的实验正在国际空间站进行,该实验的目的就是确定生活在空间站的宇航员皮肤的各种参数。
在全部弄清楚这些问题之前,会有更多的老鼠贡献出它们的生命。
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