时至今日,大部分科技进步的背后都依赖着19世纪甚至更早的科学理论。

尽管爱因斯坦在20世纪初提出的相对论和量子力学已经在人造卫星、芯片以及天文学领域有所应用,但仍有大部分潜力未被挖掘,如引力波通信和虫洞的研究。
这表明现代社会在理论物理学方面,仅仅探索了冰山一角,甚至在某些情况下,我们还没有充分发挥已有理论的百分之一潜力。
作为其中一例,弦理论被誉为23世纪的物理学,目前尚未有明显的实际应用。
一、物理学的历史被分为经典物理学和现代物理学两个阶段
1、19世纪末到20世纪初期被称为经典物理学的时代,这一时期见证了伟大的科学家们如牛顿和麦克斯韦所做的贡献,他们的理论成果包括了牛顿的万有引力定律和麦克斯韦的电磁学。
至今,牛顿的理论仍然被用于火箭发射等应用,电磁学则渗透到了我们生活的各个方面。
2、20世纪初,现代物理学崭露头角,以爱因斯坦和玻尔等科学家为代表。
现代物理学主要由相对论和量子力学这两大支柱组成。

前者解释了宏观和近光速运动状态下的现象,可以看作是对牛顿万有引力定律的进一步修正。
而后者则专注于微观世界,研究亚原子粒子,其中量子理论指的是一系列表现出波粒二象性的粒子,而不是传统意义上的单个粒子。
然而,这两大理论的出现也带来了矛盾。
简而言之,爱因斯坦的广义相对论认为引力是由质量扭曲时空引起的,而量子力学则认为引力是由引力子的交换引起的。
这一矛盾使得物理学家在宏观和微观世界之间难以建立一个统一的理论,即一个能够同时解释从微观到宏观的一切现象的理论。
二、为了解决这一难题,弦理论应运而生
弦理论的核心观点是宇宙中的所有粒子都不是点,而是像小提琴弦一样的一维线。
这些弦在多个维度中振动,每一种振动模式对应一个粒子。
这一理论试图将相对论和量子力学统一起来,或者说以一种新的框架重新诠释它们。
超弦理论甚至认为宇宙存在着几十个维度。

然而,由于其晦涩和复杂,有些物理学家认为它可能不是一个正确的理论。
然而,由于现有对撞机的能量远不足以验证弦理论的正确性,因此它仍然是理论物理学最前沿的理论之一。
弦理论为我们提供了一种全新的视角来理解宇宙,挑战了我们对现实的传统理解。
尽管它仍然是一个未完成的理论,但它具有巨大的潜力。
如果未来弦理论得到验证并投入实际应用,那么人类文明可能会掌握前往其他维度甚至其他宇宙的能力,届时人类文明也许将成为宇宙中最先进的文明。
这种前景令人兴奋,也让我们期待着更多的科学探索和突破,以解锁宇宙的奥秘。
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