首页 > 科学

宇宙大爆炸理论一个强有力的证据,在我们生活中随处可见!

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-16

宇宙大爆炸理论,最初是由乔治-伽莫夫在20世纪40年代提出来的。

不过由于大爆炸理论太具颠覆性,当时很多科学家完全不接受该理论,甚至嘲讽宇宙大爆炸理论。

比如说霍伊尔,他对宇宙大爆炸理论十分厌恶。

作为一个无神论者,霍伊尔认为宇宙大爆炸莅临带有造物主的味道,这是他不能接受的。

不可否认的是,宇宙大爆炸理论的确是一个假说,而且是很大胆的假说。

其实任何科学理论一开始都起源于假说或者假设,只要有充足的证据证明这个假说或者假设,就是很好的理论。

于是宇宙大爆炸理论的支持者们,也开始为该理论寻找具有说服力的证据。

让人想不到的是,一个强有力的证据是在偶然间发现的。

那个伟大的发现来自美国的贝尔实验室中的喇叭天线,说白了就是射电天文望远镜,只是看起来更像是卫星电视天线,形状就像喇叭,能够朝着不同的角度进行旋转,目的就是收集来自外太空的各种信号。

1963年,贝尔实验室里的两位科研人员,彭齐亚斯和威尔逊需要做一个实验,研究银河系周围氢原子的微弱光环,在做实验前,他们需要尽可能清除掉实验过程中的背景噪音信号。

在清除的过程中,他们发现了一直存在的“嘶嘶”的噪音。

一开始两人觉得可能是设备和电路问题造成的,于是他们花了相当长时间去检查设备和电路问题,甚至亲自去擦拭每个部位。

但结果那些噪音仍旧存在,无论如何他们都无法清除那些“嘶嘶”的噪音。

而且无论他妈呢如何调整天线的方向,噪音都一直存在。

直觉告诉他们,结果很可能只有一个:那些噪音并非来自设备和电路,而是一直存在太空中,来自太空的辐射噪音。

这个实验中偶然的发现,让两人触及到了宇宙大爆炸的一个强有力的证据:那些噪音的确来自太空,存在于太空的每个角落,来自宇宙大爆炸的余晖,也就是后来科学家发现的宇宙微波背景辐射。

那些微波来自宇宙大爆炸30万年后,伽莫夫也曾经预言,宇宙大爆炸的余晖会以极其微弱的微波辐射存在,而彭齐亚斯和威尔逊发现的噪音,正是伽莫夫预言的宇宙微波,也是宇宙大爆炸理论的一个强有力的证据。

而彭齐亚斯和威尔逊也因为发现了宇宙大爆炸的余晖而获得了诺贝尔物理学奖。

那么,宇宙大爆炸的余晖,为什么会以微波的形式存在至今呢?因为我们的宇宙自诞生之日其就一直在膨胀,膨胀速度超过光速。

宇宙诞生初期,能量非常高,充满了能量极高的高能宇宙辐射,那些辐射在漫长的时间之后,能量会衰减,同时由于宇宙的超光速膨胀,波长会不断被拉伸,直道今天以波长很长的微波形式存在。

事实上,宇宙大爆炸后的余晖在我们身边无处不在,最明显的例子是很多70后,80后和甚至一部分90后都看过的黑白电视。

黑白电视在接收不到电视信号的时候,总是会出现雪花状,同时伴随着“嘶嘶”的噪音,实际上那些噪音就是宇宙大爆炸的余晖,以微波的形式呈现出来,被电视接收到,也就是我们听到的噪音。

而在20世纪60年代,科学家们通过不断努力,也终于绘制出了完整的宇宙微波背景辐射,那就是宇宙大爆炸的余晖,通俗来讲也是“婴儿时期”的宇宙!

很多时候,科学理论的发现就是这样, 并不需要非常深度的研究探索,而恰恰就在你我身边,就看我们有没有保持好奇心,有没有一颗善于探索发现的眼睛,不要被固有的思维模式束缚住,往往就是那些被很多人认为理所当然的事实,很可能暗藏着某些终极奥秘!

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