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宇宙大爆炸理论摇摇欲坠,现已发现众多漏洞,未来将被淘汰

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-15

宇宙大爆炸理论从提出到现在已经快100年了,但新的宇宙模型和超算模拟正在对几十年来被视为定理的大爆炸理论提出质疑,科学界开始逐渐意识到,宇宙大爆炸理论其实并不完美。

根据大爆炸模型,宇宙中的所有超热爆炸都会产生一定数量的轻元素锂和大量的氦,然而实际观测却表明越古老的恒星锂含量就越低,科学家之前估计恒星里每万亿个氢原子中有400个锂原子,但实际上锂的丰度只有每万亿个氢原子中160个锂原子,远远低于大爆炸模型的预测。

除了锂元素丰度外,对称性破缺也是大爆炸理论的短板之一,因为宇宙大爆炸瞬间会产生数量相当的物质和反物质,这意味着它们会互相湮灭才对,但事实上我们的宇宙却出现了物质并且还出现了智慧生命,这说明在宇宙大爆炸之初正物质的数量是比反物质更多的。

目前宇宙中的物质量要比宇宙大爆炸理论预测的物质量高出100亿倍左右,有物理学家认为这种非对称是由一种人类还未发现的物质导致的,是它抵消了一部分反物质,让正物质得以组成恒星和行星以及生命,然而直到今天物理学家也没能发现这种物质。

宇宙大爆炸理论还认为,我们的宇宙在未来会从膨胀转为减速膨胀,然后是停止膨胀并在引力作用下收缩,然而实际观测却显示我们的宇宙在加速膨胀,并且加速度还越来越快,所谓的减速膨胀和停止膨胀连一丝迹象都没有。

韦伯望远镜最近观测到的百亿光年外的银河系量级的星系,更是说明了我们的宇宙在早期就能产生大型星系,而不是天文学家之前预测的,从小星系组合成大星系,然后是更大的星系。

总之种种迹象都表明,宇宙大爆炸理论现在已经到了观测极限了,即目前的技术已经能发现它的局限性了,就像当年爱因斯坦发现牛顿万有引力的局限性从而发表广义相对论一样,在可以预见的未来,等到新的宇宙现象发现的足够多而大爆炸又无法解释的时候,比宇宙大爆炸模型更好用的理论就会出现。

目前常用的宇宙微波背景辐射图,一直被认为是宇宙大爆炸理论的最佳证据,但它并没有从更宏观的角度告诉我们宇宙的形状,以至于宇宙学家们不得不设立了三种宇宙形状,即平坦宇宙,闭合超球体宇宙,马鞍面宇宙,这三种宇宙形状目前来看是平坦宇宙占优势,因为三角形的内角和在大尺度上仍然是180度。

然而爱因斯坦的广义相对论认为宇宙是四维闭合超球体,即整个宇宙时空在大尺度上是闭合的,这意味着光速飞船笔直向前最后仍会回到原点,在这种形状的宇宙内三角形的内角和是小于180度的,因为光在飞行的途中发生了完全,造成的三角形也是弯曲的。

总的来说

宇宙大爆炸理论的许多基本预测都与现在的观察数据不符,它们之间的矛盾非常深刻,以至于我们必须重新审视我们对宇宙起源的理解。

等到未来新的宇宙学模型面世后,我相信宇宙在人类眼里就是另一种样子了。

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