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暗物质探索是宇宙学研究中极为神秘的领域

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

(神秘的地球)据腾讯科学(罗辑):暗物质探索是宇宙学研究中极为神秘领域,暗物质占全宇宙质能的26%左右,目前科学家对暗物质的探索结果发现天体系统周围"遍布"暗物质,银河系周围存在大量的暗物质团,那么这些物质是由何种粒子构成的呢?目前的研究发现暗物质只通过引力与周围物质发生相互作用,不参与其他电磁作用,宇宙存在着大量的暗物质,最近有研究显示地球周围或存在一个巨大的暗物质晕,厚度可能接近200公里,另外太阳附近也被认为存在暗物质.

银河系周围也存在暗物质,此前有研究对银河系周围大约20个卫星天体集群进行观测,发现它们散布在一个较为完整的平面上,该平面与银盘形成了一个不偏不倚的角度,银河系卫星星系分布不寻常的现象被认为与暗物质有关.银河系中央附近也出现过疑似暗物质粒子的踪迹,美国国家航空航天局的费米空望远镜巡天观测到可能由大质量弱相互作用的粒子碰撞产生的伽玛光子,形成了特殊的"光束".在一次费米空间望远镜专题讨论会上指出,暗物质粒子可能在130GeV左右,费米空间望远镜升空以来已经被用于多个领域的观测,其中包括对脉冲星和超大质量黑洞的发现任务,探索此类天体与伽玛射线之间的关系以及暗物质粒子的可能踪迹.

目前探索暗物质方法有多种,比如采用惰性液体探测器、低温探测器,进行暗物质搜索实验需要排除其他干扰,由于暗物质粒子与其他粒子之间的相互作用极为微弱,因此意大利大萨索山进行的CRESST II实验就是使用了大山作为屏蔽体,极厚的岩石可稍弱宇宙射线的背景噪声,探测暗物质粒子装置中使用了几十个超低温的钙钨晶体,确切的说是使用了钨酸钙晶体,其高灵敏度可用来探测暗物质,当粒子击中钨酸钙晶体的时候,晶体散发出光脉冲,接着高灵敏度的仪器可测量碰撞过程中产生的能量.

此外美国明尼苏达州CoGeNT暗物质探索计划位于700米深的地下实验室,是由一个废旧的矿井改建而成,使用高纯锗作为探测器来观测碰撞产生的信号.位于南达科他州的LUX实验是最灵敏的暗物质探测器之一,但还没有发现暗物质粒子的确凿证据,该实验的核心装置是一个1.8米高的钛容器,内部充满了液态氙气,并冷却到零下101摄氏度,如果弱相互作用重粒子与其他粒子发生作用,探测器就能发现其信号.

暗物质如同一扇"黑暗之门",我们目前所看到的物质只占宇宙质能的很小一部分,宇宙中几乎被暗能量和暗物质充斥着,科学家已经发现了暗物质对宇宙星系和恒星系统产生的引力效果,弱相互作用重粒子可能就是科学家寻找的暗物质粒子.前不久国际空间站阿尔法磁谱仪(AMS)进行了暗物质探索实验,研究结果依然没有取得较大的进展,科学家认为当前的探测设备可能距离暗物质粒子所需的级别还有一段距离.

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

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