直径930亿光年的可观测宇宙,只是真实宇宙的一小部分,但天文学家已经在其中发现了2万亿个星系,银河系只是其中之一罢了。

作为银河系的千亿分之一,位于猎户座旋臂上的太阳系刚好位于银河系的恒星宜居带内,这保证了太阳既不会脱离银河系引力范围,也不会被中心区域的流浪黑洞袭击,也正是在这种情况下,位于太阳系宜居带内的地球才得以诞生生命并演化出我们。
由此不难看出,生命和文明的诞生是宇宙中的极小概率事件,是需要种种巧合拼在一起才能实现的,然而在宇宙数万亿个星系,以及千亿倍于这个数字的恒星面前,生命和文明的概率再小也应该产生一个极大的数字才对,至少在整个宇宙中,外星文明的数量不会比地球上的人口总量少。
然而奇怪的是天文学家看到的宇宙却是如此的寂静,别说外星文明了,就是最基础的外星微生物都没发现,整个宇宙似乎真的只有地球上存在生命和文明。
这种奇怪的现象还引发了著名的费米悖论,即如果外星文明真的存在,为什么我们没有发现他们?为什么他们也不来地球?

第一种解释最简单,符合奥卡姆剃刀原理,那就是外星文明根本不存在,整个可观测宇宙甚至是全宇宙内,人类文明就是最先进且唯一的文明,地球也是唯一存在生命的星球。
在这种解释下,找不到外星文明以及外星文明不来地球的原因就很简单了,纯粹就是他们都不存在,然而这种解释虽然简单但并不服众,因为前面我们已经说了生命的文明的诞生就是概率问题,人类没理由成为特例。
并且考虑到光速就是宇宙中的极限速度,在光速限制的情况下,几十亿上百亿光年外的某颗星球上完全有可能诞生文明,只不过我们无法观测到而已,毕竟在这种情况下,阻碍观测的已经不是距离而是时间的鸿沟了。
第二个解释则认为,外星文明是存在的,甚至是广泛存在于宇宙中的,但他们都不会主动来到地球,因为地球乃至整个太阳系周边区域都位于文明保护区内。

类似的情况其实在地球上也发生过,比如印度的几个小岛上至今仍存在原始部落文明,人类社会在发现他们的存在后并没有上岛去改造他们,而是划定了保护区让他们自己发展,类似的情况下也完全能发生在宇宙中,只不过人类成了原始文明,太阳系附近成了保护区。
第三种理论认为,地球已经被外星文明观测且记录在案了,人类文明的一举一动都在被外星文明观察,只不过我们并不知道也感觉不到,这种隐蔽的观察可以在若干次的UFO目击报告中体现,然而事实究竟如何,还需要时间的去给出答案。
作为一颗有着45.5亿岁的星球,人类文明却只有短短1万年的文明史,在这之前的漫长空窗期完全能让外星文明频繁光顾地球而不被人类发现,也许恐龙时代就有外星人来到过地球,但问题是恐龙会记录下这一信息吗?
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