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诺奖得主提出循环宇宙论 他认为宇宙就是一次次轮回

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-15

现代天文学家普遍相信宇宙起源于138.2亿年前的一次大爆炸,这个爆炸将宇宙从一个微小的、高温高密度的奇点状态引爆,使其开始超光速膨胀。

但这一理论只解释了宇宙的起源,对于大爆炸之前的宇宙状态一无所知。

著名的英国数学家罗杰·彭罗斯提出了一个大胆的理论,称为循环宇宙理论(Cyclic Cosmology Theory,简称CCC理论)。

这一理论提出,宇宙是一个永恒循环的过程,每个宇宙的结束都标志着下一个宇宙的开始。

与我们熟知的多元宇宙理论不同,CCC理论认为只存在一个不断循环的宇宙。

在CCC宇宙模型中,每个宇宙周期都从一个大爆炸开始,然后宇宙膨胀,最后收缩,最终再次爆炸,从而启动新的一个周期。

虽然彭罗斯的循环宇宙理论听起来有些离奇,但它并非毫无依据。

天文学家已在宇宙微波背景辐射中发现了一些异常,这被认为是上一个宇宙遗留下来的信息,而我们所在的宇宙部分就是由上一个宇宙演化而来的。

此外,CCC理论也得到了暗能量的支持,因为近70%的宇宙质能总量被暗能量占据,它正是导致我们的宇宙加速膨胀的元凶。

在此之前,科学家们普遍认为宇宙膨胀是一个匀速或减速的过程。

随着宇宙的加速膨胀,未来宇宙中的物质密度将逐渐减小,星系之间的距离也将不断增大。

当暗能量提供的排斥力达到顶峰时,宇宙将从膨胀状态转向引力主导的收缩状态,星系将重新靠拢。

最终,宇宙中的所有物质将再次聚集成奇点状态,一切时间、空间和物质将再次迸发出全新的宇宙,带来新的宇宙规则和秩序。

除了提出循环宇宙理论,彭罗斯还提出了关于黑洞和外星生命的有趣观点。

他认为黑洞具有巨大的潜力,可以作为能源的来源,高级智慧文明或许可以利用黑洞能量。

如果这种能源存在,我们可以通过观测黑洞事件视界附近的情况来寻找高级文明的迹象。

然而,鉴于离地球最近的黑洞距离约为1600光年,这一方法的效率似乎仍然有待提高。

与彭罗斯的理论猜测不同,霍金曾提出过突破摄星计划,旨在向比邻星发射太空探测器,这些探测器速度可达每秒6万公里。

当它们到达比邻星后,将收集数据并以光速传回地球,然后再次利用比邻星的光压进行加速,目标是深入银河系的更远处。

无论是循环宇宙理论还是黑洞外星生命理论,彭罗斯的思想都展现了大胆的科学探索精神。

虽然这些理论目前难以验证,但科学需要这种大胆的假设,因为正如爱因斯坦所说,提出问题比解决问题更为重要。

我们或许永远无法完全理解宇宙的奥秘,但正是不断的思考和假设推动着科学的前进,帮助我们更深入地探索宇宙的奥秘。

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