根据大爆炸理论,大约 138 亿年前,我们的宇宙还没有桃子大,温度也超过 40 亿度。

某一时刻,她爆发出了一个无限密集的小点。
接下来发生的事情经常被天体物理学家的观察所证实。
但奇点本身,即无限密度的点,就像"之前"出现的一切一样,仍然未经探索,是一个绝对的谜。
英国物理学家、数学家、诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯对此提出了一个有趣的理论。
在他看来,我们的宇宙是其祖先和后代链条中的下一个。
宇宙的亿万年
首先,彭罗斯确定了宇宙的主要特征是什么。
而这是一个至少需要两种能量或者物质的运动。
它们之间的距离应该随着时间而改变。
只有一个物体或根本没有它们,宇宙将不再相同。
它只是某种无法测量的空间,也就是说,它将被压缩,或者相反,无限。
而且,其中不会有时间和速度的概念。
彭罗斯计算出,在某个时间点,基本粒子会崩解。
宇宙膨胀的结果将是最后一个光子的死亡,并且它将返回到准备再次爆炸的状态。
然后一个新的周期将开始,科学家称之为"亿万"。
然而,彭罗斯没有具体说明什么会触发下一次大爆炸。

不管这个假说看起来有多么有争议,它解决了几个宇宙学问题。
关于我们的宇宙之前发生了什么以及之后(上亿和下亿的宇宙)将会留下什么的问题的答案非常简单。
此外,大尺度宇宙各向同性之谜本身就变得无关紧要了。
远古骚乱
事实是,如果我们谈论巨大的星系团,那里的物质分布相对均匀,这是大爆炸理论根本无法解释的。
为此,他们增加了一个膨胀阶段,在最初的时刻,空间膨胀得如此之快,以至于一切都变得相对均匀。
彭罗斯的理论表明,即使在宇宙开始之前,它的区域就已经对齐了。
为了证实他的假设,英国人提出改进观测引力波的方法和技术。
科学界有一个版本,当巨大的黑洞吸收所有物质和辐射时,一切的终结就会到来。
然后它们将开始相互碰撞并合并。
预计剩下的两个将在仍在扩张的空间中几乎永远徘徊。
然而,总有一天,它们也会以类似于大爆炸的爆炸方式融合在一起。
引力波将如此强大,以至于它们将影响下一个世纪的宇宙。
而且根据其他物理学家的计算,这也会改变宇宙微波背景辐射的图景,也就是大爆炸的电磁回波。
它将被印在天球相对点的两个圆圈中。
与其他领域相比,它们的异质性更少。
奇怪的是,科学家们已经在天球上发现了这样的点。
这些古代重力扰动的痕迹类似于水面上的横波。

多元宇宙和量子蒸发
然而,加拿大不列颠哥伦比亚大学校长詹姆斯·齐宾(James Zibin)基于大爆炸第一秒的数学模型表示,这种环形波是在基于同一膨胀阶段的模拟中形成的,而不是之前的宇宙。
事实上,大多数天体物理学家和宇宙学家都怀疑彭罗斯的假设。
最后两个巨大黑洞碰撞的那一刻对他们来说绝对是美妙的。
事实是史蒂芬·霍金证明了黑洞的质量会逐渐转化为能量(即所谓的量子蒸发)。
基于此,最后的黑洞甚至在它们相遇之前就蒸发了,留下高能光子。
彭罗斯的粉丝反驳说,这种令人难以置信的能量将成为新爆炸的动力。
因此,彭罗斯的理论假设宇宙的连续变化在后继者的结构中留下了某些痕迹,成功地与独立且不相交的平行宇宙理论保持一致。
确实,后者根本无法得到证明。
现代理论基础和技术观测仪器的状况不允许我们找到第一个或第二个假设的任何证据。
未来,随着技术和方法的发展,一切都可能会改变。
子宾认为,前一个世纪肯定会在我们的世界上留下痕迹,尽管它们可能具有不同的、非环形的形状。
最新的引力波探测器可以解决这个问题。
最奇怪的是,上述两种理论并不互相否认。
此外,平行宇宙和串行宇宙可以同时存在。
这就是多重宇宙的假设,许多平行宇宙无穷无尽地相互形成。
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