小孩子总是对世界充满好奇,他们总是问一些大人们认为很无厘头很无聊的问题,有时候弄得我们哭笑不得,不知道该如何回答。

而很多时候,我们都会选择某种敷衍的方式回答孩子们提出的问题,殊不知不知不觉中我们已经在慢慢地磨灭孩子们的好奇心和探索世界的欲望。
比如说,如果你的孩子问这个问题:夜空为什么是黑的?你会如何回答呢?
大多数人会直接
回答:因为没有太阳。
这个答案对于几岁的小孩子来说确实可以接受,当你并没有触及到问题的本质,错失了让孩子深入了解这个世界的机会。
不知道你想过没有,我们的宇宙是不是无限大的呢?是静态还是动态的呢?
如果宇宙是无限大的,也是静态的,意味着宇宙中有无穷多个恒星,它们发出的光线也是无穷多的,在这种情况下,不管恒星距离地球多远,总会有无穷多的光线照射到地球上,如此一来,不管是夜晚还是白天,天空都应该是明亮的。

有没有太阳都是一样的,因为太阳只不过是无穷多个恒星中的一个而已,就像无穷大减去一仍旧是无穷大一样!
但事实上并非如此,我们看到的夜空是黑的。
为什么会这样?这个问题也被称为“奥伯斯佯谬”。
显然,我们的宇宙不是无穷大的,也不是静态的。
事实上科学家们早就发现了这点。
早在20世纪20年代,著名科学家哈勃在观察遥远星系的运动时就发现它们在不断远离地球,这表明我们的宇宙一直在膨胀,膨胀的宇宙也成为宇宙大爆炸的有力证据。
由于宇宙一直在膨胀,星系发出的光线的波长就会不断被拉伸,波长变得越来越长,就会发生红移现象,这也是多普勒频移的直接体现。
最终,当光线到达地球时,波长被拉伸得很长很长,早就从可见光变成了微波,而我们肉眼根本无法看到微波,这也是夜空如此黑暗的原因,因为到达地球的光线是非常有限的,没有足够多的光线来照亮地球的夜空。

而宇宙微波背景辐射也是在这种背景下出现的,那是宇宙大爆炸之后产生的第一缕光线,到达地球后早就被拉伸成了微波。
随着宇宙继续膨胀,微波的波长会被继续拉伸,最终成为无线电波甚至完全消失!
能够看出,一个看似简单的问题,里面竟然蕴藏着如此深刻的宇宙奥秘,或许很多人都不敢相信!
其实最深刻的宇宙奥秘往往就隐藏在我们日常生活中,只是日复一日的生活让我们早就对很多自然现象习以为常,会认为理所当然就是如此,甚至变得麻木起来,根本不会去问为什么。
所以,如果你的孩子再问你看似非常无聊的问题时,不要敷衍他,那是一个让他了解世界的好机会!
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