在漫长的人类历史中,星际航行一直是人们梦寐以求的科学幻想。

随着科技的飞速发展,我们正迎来一个全新的时代——星际时代。
星际航行的目标是将人类的足迹延伸到宇宙更远的地方,这既是一项技术挑战,更是对人类智慧和勇气的考验。
星际航行面临的最大挑战之一并非技术或科学问题,而是宇宙本身存在的速度限制。
在探讨星际航行的挑战时,我们首先要面对的问题是宇宙中的巨大距离。
太阳系只是宇宙中的一个微小角落,最近的恒星比邻星也有着惊人的4.22光年之遥。
目前人类最快的飞行器——帕克太阳探测器,速度仅为586,800千米/时,而光速却是约为300,000千米/秒,两者之间存在几千倍的差距。
更令人担忧的是,爱因斯坦早已告诉我们,超越光速是不可能的,即便是接近光速也是极为困难的。
究竟是什么在限制着人类的速度?
首先,我们可以考虑太空飞行器飞离太阳系的问题。
虽然媒体曾报道旅行者1号和旅行者2号飞离了太阳系,但这一说法很快被NASA和科学家们否定。
实际上,它们距离地球的距离虽然已达数百亿公里,但仍然未离开太阳系。
要真正飞离太阳系,至少需要数万年的时间。

这提示我们,公里(千米)在宇宙中已经失去了意义,唯有光年才能更为准确地表示星际距离。
而采用光年作为单位的原因,则是光速的存在限制了我们观测和测量的方式。
在讨论速度限制时,光速是自然界中的绝对极限。
根据相对论,光速在真空中是一个不变的常数,无论观察者是静止的还是以任何速度运动。
这意味着当物体接近光速时,时间会变慢,长度会收缩,质量会增加。
当物体以光速运动时,时间似乎停止,长度完全收缩,质量变得无穷大。
除了光速的限制,还有一个更为深刻的速度极限,即GZK(Greisen、Zatsepin和Kuzmin)极限。
该极限理论上描述了来自遥远宇宙的宇宙射线所能具备的最大能量限制。
根据GZK效应,当高能宇宙射线的能量超过一个特定的阈值时,它们与宇宙微波背景辐射的相互作用会变得极为频繁,导致它们的能量急剧减小。
这个阈值被称为GZK极限能量,约为5 x 10^19电子伏特(eV)。
这意味着无论宇宙中有多强大的能量源,它们所释放的宇宙射线的能量都不可能超过GZK极限能量。
超过这个极限后,宇宙射线与宇宙微波背景辐射的相互作用将导致它们无法保持足够的能量在宇宙中传播到地球。

最后,我们还要面对宇宙本身的无穷无尽。
宇宙在约138亿年前诞生,但我们可观测的宇宙半径却只有465亿光年。
这是因为宇宙的膨胀速度不是固定的,而是随着时间的推移而改变。
远离我们的天体将永远无法被观测,因为它们与我们的距离将越来越远,光线受到的宇宙膨胀影响也将变得更为显著。
我们无法直接观测到宇宙诞生的瞬间,因为宇宙在诞生时处于非常高密度和高温的状态,光无法在其中传播。
我们所观测到的宇宙微波背景辐射只是宇宙诞生后约38万年的一个时刻。
宇宙速度的限制在星际航行中成为真正的障碍。
无论是光速的不可逾越性,还是GZK极限的存在,乃至宇宙膨胀导致的无法观测到更远天体,都让星际时代的实现变得更加艰巨。
正是这些限制激发了人类的探索欲望,推动着科学家们不断挑战极限,寻找新的技术和方法,或许有一天,我们能够超越这些限制,迈向星际的未知领域。
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