将拥有无尽和永恒的能量资源,并且可能有能力拯救或结束整个宇宙。

物理学的领域充满了令人惊奇的未知,宇宙的运行方式仍然充满谜团。
然而,更加神秘的是,有一种未知力量,默默地支配着我们的现实世界。
这种力量无法被解释,我们甚至不知道它们的本质以及它们可能拥有的潜在能力。
在我们所能观察和理解的宇宙中,一切物质和能量的总和,仅仅占据了整个宇宙的5%。
这包括了每一颗恒星、每一颗行星、每一个星际云,甚至可观测宇宙中的每一个黑洞。
那么,剩下的95%究竟是什么?
这些未知元素占据着宇宙的空间,其中包括一些我们的仪器无法侦测到的神秘实体:暗能量和暗物质。
暗物质大约占据了宇宙总质量的27%,远超过普通物质的数量。
与此同时,暗能量则占据了宇宙总能量的68%。
我们之所以知晓暗物质的存在,是因为它产生的引力效应。
如果没有暗物质,星系将无法以如此迅猛的速度旋转,甚至无法形成和维持。
而暗能量同样充满谜团,从未被直接探测到,但这是我们目前所能找到的最好的解释宇宙急剧膨胀的原因。

暗能量被认为均匀分布在整个宇宙中,充斥着每一寸空间,这是一个相对较新的概念。
尽管"暗能量"这个词汇在爱因斯坦于1917年提出的"宇宙学常数"中已有所涉及,但直到1998年,宇宙学家迈克尔·特纳才首次正式提出了这一概念。
即使在科学界中,存在一种普遍的认同,暗能量的本质也颇具争议。
有学者将其视为宇宙的固有属性,是一种宇宙学常数,而另一些人则将其视为宇宙的第五大基本力量,或者是一种液体,类似于暗物质,自然地弥漫在虚空之中。
尽管关于暗能量的本质存在众多假设,我们可以确定的是,它是导致宇宙膨胀的主要原因。
根据膨胀的速度,我们知道它占据了整个宇宙的68%。
如果宇宙中的暗能量量继续增加,宇宙将继续膨胀,最终可能导致"大撕裂",将普通物质分裂成碎片。
然而,在此之前,我们还有足够的时间,作为一种智慧生命体,来开发技术以侦测和与暗能量互动。
如果成功,这将是人类历史上最伟大的发现之一!
暗能量可能成为人类的主要能源,因为它的丰富性几乎无限,存在于空间的每一个角落,我们可以构建大型设备来提取这一无穷的能源,将空间视为"自然矿藏"。
这一突破将使星际旅行和外星殖民变得更加容易。
太空船可以舍弃携带燃料,而是从周围的空间中吸收能量,因此不再需要携带大量燃料,这将使飞船更加轻巧和快速,从而实现长途航行。
此外,这一发现还将使星系群更加独立,我们可以在任何地方建立星系群,甚至漂浮在恒星系统之外。
这一概念也面临着道德和可持续性的问题。

一些科学家认为,在其他行星和卫星上进行开采可能是道德上错误或不可持续的。
类似的道德问题也可以应用于暗能量的开采。
暗能量的潜力也取决于宇宙是否会在某一大事件中结束。
如果宇宙的终结与大裂缝有关,那么挖掘暗能量可能会加速这一过程。
另一方面,如果我们朝着一个大裂缝的方向前进,那么开采暗能量实际上可能会减缓宇宙的膨胀速度,从而延长宇宙的寿命。
如果我们能够掌握大规模使用或操纵暗能量的技术,也许我们可以足够强大,以减缓膨胀速度,甚至延迟或阻止大裂缝的发生。
尽管人类可能无法完全控制暗能量,但如果某个先进的外星文明能够开发和利用暗能量的技术,他们将拥有无尽和永恒的能量资源,并且可能有能力拯救或结束整个宇宙。
这一发现将打开人类面对宇宙未知的大门,为我们的科学和技术领域带来无限的可能性。
因此,暗能量的探秘不仅仅是一项科学挑战,还可能成为未来人类文明的关键里程碑。
我们或许终将揭开这个宇宙最深层奥秘的面纱,但对于现在来说,我们只能继续努力探寻和理解这个未知领域,希望能够一窥宇宙的真正秘密。
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