根据相对论，只需要29年时间，就能飞到250万光年外的仙女座？

飞到仙女座，需要你活上两百五十万年吗？

答案可能比你想的更诡异。

按照相对论，在一个理想的飞行模型里，你可能只需要经历二十九年。

但代价是，等你抵达目的地，地球已经过去了大约两百五十万年。

你出发时认识的所有人，都不可能再等到你的消息。

你以为自己只是出了一趟远门，实际上，你已经离开了属于自己的整个时代。

这到底是怎么算出来的？

先抬头看看夜空。

在足够黑暗的地方，你有机会看见一小团模糊的光。

它看起来甚至不像一颗清楚的星星，却是银河系附近的另一个庞大星系，仙女座。

它距离我们大约两百五十万光年。

你现在看到的光，是两百五十万年前出发的。

那时候，地球上还没有今天这样的城市，也没有人在屏幕前讨论怎么去另一个星系。

这些光一路飞过来，我们的文明才在最后很短的一段时间里出现。

可光能过来，人能过去吗？

如果按照旅行者一号每秒大约十七公里的速度，把这段距离直接除过去，答案是四百多亿年。

注意，这只是一道不考虑目的地运动的距离算术。

可这个数字已经足够让人失去耐心。

它比宇宙现在的年龄还长好几倍。

你给飞船多装几个发动机，能解决吗？

问题恰恰从这里开始。

飞船要加速，就需要能量。

如果靠自己携带燃料推进，你带上去的燃料也有重量，也需要被加速。

为了推动更多燃料，你又得携带新的燃料。

你越想飞快，飞船就越容易被自己的补给拖住。

即使解决了发动机，你还得解决食物、空气、设备维修，以及漫长航程里的辐射。

最后，还有一个最不好解决的东西。

你的寿命。

面对两百五十万光年，人的一辈子短得几乎可以忽略。

所以这趟旅行看上去没有任何机会。

但相对论在这里，留下了一道非常奇怪的缝隙。

我们平时习惯觉得，无论你站在地上，还是坐在飞船里，一年就是一年。

大家的钟虽然摆在不同地方，走过的时间应该差不多。

可速度接近光速以后，这个直觉就不管用了。

从地球的参考系来看，高速飞船上的钟会走得更慢。

这种变化影响的并不只是手表。

你的心跳、身体里的化学反应，以及你经历的衰老，都要一起算进去。

而你自己不会觉得生活突然变成了慢动作。

你照样吃饭、睡觉，觉得每一天都很正常。

这也不是为了星际旅行临时编出来的设定。

时间膨胀已经在粒子和精密时钟的实验里被反复检验。

不过，别急着高兴。

把飞船开到光速的百分之九十九，听上去已经快得吓人，可对于仙女座这样的距离，依然远远不够。

哪怕先忽略加速和减速，按这个速度匀速飞行，你在船上也要经历三十多万年。

所以，“接近光速”这四个字，里面还藏着一道深不见底的鸿沟。

那么，二十九年又是从哪里来的？

现在假设，你有一艘现实中还造不出来的飞船。

它能够持续加速，而且你在船上感受到的加速度，大约相当于站在地球表面时的重力。

你可以踩着地板生活，不需要一直漂在空中。

前半程，飞船朝仙女座持续加速。

到了中点，把推进方向调过来，后半程持续减速，争取抵达时停下来。

在忽略燃料、辐射等工程困难的理想模型里，算出来的结果是，你在飞船上大约经历二十九年。

你二十岁出发，到达时可能还不到五十岁。

你没有超过光速，也没有钻进虫洞。

从高速旅行者的参考系来看，沿飞行方向测量的距离会缩短；从地球的参考系来看，你的钟积累的时间更少。

同一趟旅行，两边记录的时间，可以相差到这种程度。

可这并不意味着，你替地球省下了两百五十万年。

地球那边，仍然过去了大约这么久。

这是这趟旅行最残酷的地方。

你可以在自己的寿命里赶到另一个星系，却不能让故乡停在出发那天。

就算你立刻发回一句“我到了”，消息还得以光速往回走。

等它抵达地球，又是一段百万年的等待。

跨星系旅行，连报平安都成了一件跨越时代的事。

而现实的难题，比这个结局还要靠前。

要让一艘飞船长期维持这样的加速，需要极其庞大的能源。

速度越逼近光速，继续提速需要付出的能量就越惊人。

而你还得把减速的账一起算上。

否则，你只是高速冲过仙女座，根本没有办法留下来。

接着，原本看起来空荡荡的太空，也会变得危险。

稀薄的气体、微小的尘埃，在极高的相对速度下撞上船体，都可能带来严重破坏。

迎面而来的光，也会因为蓝移变得更高能。

你想增加防护，就得增加重量。

重量一上去，推进它所需要的能量又跟着增加。

数学允许我们计算这趟旅程，不代表工程师已经有了制造飞船的办法。

那有没有捷径？

比如科幻电影里的曲速飞行，或者连接两个地方的虫洞。

这些想法很迷人，但目前都没有成为可以载人出发的技术。

我们不能把一个理论设想，直接当成已经存在的宇宙高速公路。

也许最先跨越星系的，会是我们制造的机器。

它不需要呼吸，不需要食物，可以省去大量维持人类生存的设备。

但机器同样需要能源、防护和漫长的可靠运行，距离也不会因为乘客换了身份就自动消失。

所以，人类能不能抵达仙女座？

用今天的技术，做不到。

相对论告诉我们的，是一个更微妙的答案：两百五十万光年的距离，不一定要求旅行者亲自活上两百五十万年。

可就算有一天，我们终于造出了那艘飞船，出发前仍然有一个问题要想清楚。

你愿不愿意用二十九年的人生，换一个再也回不到原来时代的未来？

到时候，舷窗外是你第一次看见的仙女座。

而你身后的银河系里，曾经那个等你回家的世界，已经过去了两百五十万年。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。

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

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

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