标准原子量：藏在元素周期表里的小数秘密

打开任何一张元素周期表，你会发现几乎每个元素的原子量都不是整数——碳是12.011，氢是1.0079，氧是15.999。

为什么原子量这么“不整齐”？这一切，都要从“标准原子量”说起。

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什么是标准原子量？

标准原子量，又称相对原子质量，指的是某元素的一个原子的平均质量与碳-12原子质量的1/12的比值。

也就是说，科学家们约定：把一个碳-12原子质量的十二分之一作为“1把尺子”，其他原子的质量都拿来和这把尺子比，得到的倍数就是该元素的原子量。

为什么偏偏选碳-12？这背后有历史的选择。

早期的化学家曾把氢的原子量定为1，但后来发现氢也有多种同位素，直接用氢做标准会带来混乱。

经过反复权衡，1961年国际纯粹与应用化学联合会正式确定以碳-12为原子量的基准。

碳-12在自然界中分布最广、性质稳定，三个氦原子在恒星内部聚合成一个碳-12，这个“天选之子”最终成为衡量所有原子质量的标尺。

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为什么原子量常常带小数？

答案很简单：因为大多数元素都有多种同位素。

碳就有碳-12、碳-13和碳-14三种稳定同位素，其中碳-12占绝对多数，但还有少量碳-13和微量的碳-14混在一起。

标准原子量并不是某个单一原子的质量，而是按照自然界中各同位素的丰度（占比）加权计算出来的平均值。

所以碳的原子量不是正好12，而是12.011。

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同理，氢有三种同位素：氕（氢-1）、氘（氢-2）、氚（氢-3），其中氕占比超过99.98%，但微量的氘和氚把平均质量往上拉了一点，于是氢的原子量变成1.0079。

每一个带小数的原子量，其实都是同位素“平均分”的结果。

原子量为什么重要？

原子量是连接宏观世界与微观世界的桥梁。

没有它，化学家无法计算化学反应中物质的质量关系，无法配制精确浓度的溶液，无法合成新材料，更无法分析复杂体系的组成。

在材料科学、药物研发、环境监测等领域，原子量都是最基础的数据支撑。

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比如，科学家通过质谱仪精确测定同位素的相对质量，再结合丰度数据，才能得到可靠的标准原子量。

这些数据不仅用于科研，还直接影响工业生产的计量标准——从药品剂量到合金配方，背后都离不开原子量的精确值。

标准原子量并非一成不变

很多人以为元素周期表上的原子量是固定的，其实不然。

随着同位素测量技术的进步，以及对不同来源样品（如海水、矿石、生物组织）中同位素丰度更精细的分析，国际组织会定期修订标准原子量的取值范围。

有些元素的标准原子量甚至给的是一个区间，而不是一个固定的数，因为自然界中不同地方的样品，同位素比例确实存在微小差异。

标准原子量看似只是一个数字，却凝聚了人类对物质世界数百年的探索。

从道尔顿的原子学说，到碳-12基准的确立，再到质谱技术的精进，每一个小数位的背后都是科学家的智慧与坚持。

下次再看到周期表上的“12.011”，你或许会想起：那不是简单的数字，而是宇宙中碳元素所有兄弟的平均模样。

正是这些看似琐碎的小数，构成了我们理解物质、掌控物质的基石。

标准原子量，是科学赠予人类的一把钥匙，让我们得以打开微观世界的大门，精准地走进化学的每一个角落。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

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.

追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟

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