在地球上看,人类是最先进、最智慧的物种。

我们的发展历史虽然短暂,只有十万年左右,但我们从最初的不会使用火源,到如今能够制造火箭登陆其他星球,取得了巨大的进步。
不论是在精神生活还是物质生活方面,我们都迎来了巨大的提升。
然而,我们并没有满足于现状,停滞不前。
相反,我们更加努力地发展科技,追求更多的知识。
虽然我们目前受限于地球的能源,无法进入星际空间,但我们的思想并不受束缚。
即使我们没有亲眼目睹外星文明,我们仍然可以对它们进行合理的推测。
1964年,前苏联天文学家尼古拉 卡尔达舍夫提出了一个超前的理念:宇宙文明等级划分。
他根据文明掌握能源的多少,将文明划分为三个阶段:I型、II型和III型。
达到I型文明的要求是能够利用和储存所在星球上的所有能源。
以地球为例,要达到I型文明,我们需要毫不费力地开采地核的能量,并完好地储存下来。
也就是说,达到这个等级的文明能够真正成为自己所在星球的主人,不再畏惧自然的力量,而是将其转化为自己的资源。
按照文明等级划分的标准,人类连I型文明都没有触碰到,只有0.728级,要达到I型文明,至少还需要200到500年左右的时间,我们目前主要使用的资源仍然局限于地表的化石能源,更深层的地核能源无法触及。

II型文明的标准是,文明能够利用所在恒星系中的所有能源,包括太阳,并且可以自由穿梭于整个太阳系。
至于III型文明,我们可以想象,这种程度的文明已经可以享受整个银河系的资源,到达银河系的任何一个角落就像在地球上到达邻近的城市一样方便。
然而,卡尔达舍夫的文明等级理论存在一定的缺陷,他没有提及银河系以外的能源甚至整个宇宙。
后来的研究者在卡尔达舍夫的理论基础上进行了补充和完善,提出了IV型文明和V型文明。
IV型文明能够实现星系之间的跨越。
以人类为例,我们可以轻松到达距离地球254万光年之外的仙女座星系,就像在地球上到达邻近的城市一样方便。
星际航行和星际旅游将成为商业化甚至人们日常生活的一部分。
据目前的科学体系,我们可以观测到的宇宙范围大约为930亿光年,这就是IV级文明的活动范围。
IV级文明已经非常强大,几乎拥有了整个宇宙。
假设V级文明是对宇宙的掌控程度达到了极限。
这个等级的文明可以理解、利用并掌握整个宇宙的物理规律和能量,甚至可以创造新的宇宙和维度。

然而,人类一直在不断进步和探索,我们对宇宙的认知也在不断扩展。
通过观测和研究,我们已经发现了许多遥远星系、行星和宇宙现象,这些发现不仅拓宽了我们的视野,也帮助我们更好地理解宇宙的运行规律。
我们也在努力发展新的科技和探测器,以便更深入地探索宇宙。
例如,我们已经能够发送无人探测器到其他行星和小行星上进行勘测和研究,这些探测器可以为我们提供有关其他行星的信息,帮助我们了解其他行星上是否存在生命的可能性。
此外,我们也在积极寻找地外文明的存在。
通过射电望远镜和其他探测手段,我们正在寻找宇宙中的无线电信号和其他可能的地外文明迹象。
虽然目前还没有确凿的证据表明地外文明的存在,但我们的探索仍在继续。
人类的追求是不断进化和探索的过程。
我们从最初的火的利用到现在的太空探索,我们一直在寻求更多的知识和理解。
尽管我们目前对于宇宙的认知还有限,但随着科技的不断进步和人类智慧的发展,我们有望更深入地了解宇宙,并在未来实现更高级别的文明。
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.
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