当然是为了“万物至理”的大一统梦想了。

物理学发展到现在，出现了人类历史上最大难题：统一量子力学与相对论。

谁能做到，无疑就能获得诺贝尔物理学奖，而且会成为含金量最高的一届诺贝尔奖。

要回答清楚这个问题，必须要大致了解物理学的发展史。

源于欧几里得的三维认知

作为古希腊几何的支柱，欧几里得几何（简称“欧式几何”）源于欧几里得所著的《几何原本》，可谓几何学开山巨著。

对后世的影响一点不比《圣经》小。

这也是我们从小就开始学习的几何，根据平面与空间的划分，又分为“平面几何”与“立体几何”，这就是我们对空间三维认知的源头。

在“欧式几何”的长期影响下，我们都建立起了空间是“平的”认知。

随着几何学的发展，“欧式几何”缺少曲面描述的弊端，显示了出来。

黎曼几何，高维理论的数学基础。

1854年，在哥廷根大学的就职演讲上，黎曼关于“几何基础”的论述，撼动了欧式几何2000多年的统治地位。

随着以这场演讲内容《论作为几何基础的假设》的发表，改变了整个数学界对空间的认知，开创了“黎曼几何”。

而且黎曼是第一个将“力”解释为空间扭曲结果的人，比爱因斯坦早了60年。

同时，黎曼建立的度规张量，能够轻松地描述任何维度的空间变化，成为了以后高维理论最坚实的数学基础。

只是19世纪的物理学界，显然还跟不上黎曼的思想，没人对黎曼几何做出有指导意义的物理诠释。

直到60年后，爱因斯坦的偶然发现，才发挥了它最大的价值，将其作为了广义相对论的数学基础。

并且，在提出“力”是空间扭曲的结果时，黎曼无疑之中发现了，自然定律在高维空间中会更简单的秘密。

这也是高维理论之后盛行的秘密所在。

爱因斯坦的四维时空论

第一个将高维思想用在物理学上的人，就是爱因斯坦。

只是爱因斯坦是把“时间”作为了第四维度，然后运用黎曼的度规张量，统一了时间-空间，质量-能量，并建立起了它们两者之间的关系。

相对论之所以能成功，其本质就是爱因斯坦运用了多出来的第四维：时间，帮他统一了原来在三维空间内看似无法统一的东西，比如时间与空间、质量与能量。

只不过爱因斯坦当时可能并没有意识到这一点，他只是靠敏锐的物理直觉与超强的逻辑推导能力，完成了这一壮举。

卡鲁扎-克莱因理论的五维思想

在爱因斯坦完成广义相对论后，着手“统一场论”试图合并电磁力与引力，而一筹莫展时，一个不知名的数学家卡鲁扎，大胆地提出了一个五维理论，轻松统一了爱因斯坦相对论与麦克斯韦电磁学。

爱因斯坦被卡鲁扎大胆的天真想法所震惊，虽然犹豫，还是向全世界公布了卡鲁扎的思想。

随后，经过克莱因的完善，卡鲁扎-克莱因理论最终成型，成为了一个高维空间理论。

卡鲁扎-克莱因理论之所以能轻松统一引力与光（电磁力），也是因为多出来了第五维空间。

高维空间再次起到了统一、简化自然定律的作用。

只是，20世纪随着量子力学的突然崛起，物理学家放弃了无法检验的卡鲁扎-克莱因理论。

弦理论的26维假设

随着，量子力学在20世纪高速发展了60年之后，“标准模型”成功的背后，是量子力学发展的后劲不足。

标准模型”虽能解释发现的一切粒子的性质，但对不能解释的引力、暗物质等，却毫无办法。

于是，人们开始重拾卡鲁扎的高维理论，试图通过高维空间，来统一发现的众多粒子大军以及其他已知的所有物理现象。

弦理论横空出世，在26维中成功统一了所有的已知物理现象，把相对论、电磁学、杨-米尔斯场、夸克-轻子都统一了。

用的方法还是黎曼的度规张量。

超弦理论的10维假设

超弦理论是弦理论的简化，通过引入粒子的“超对称”，把维度降到了10维。

所谓的“超对称”是粒子在高维空间中，才能表现出来的对称性。

而超弦理论的出现，掀起了一股弦论研究风潮，众多的学者投入其中。

1984年，物理学界爆发了第一次超弦革命，开发出来了5个超弦版本，加上1个超引力理论。

至此高维空间，成为统一自然定律最得心应手的一种方法。

但由于技术手段的原因，超弦理论无法检验，也受到了不少学者的抗拒，不过超弦理论通过几何的方式统一了所有的自然定律，表现出了物理学最大的“美”，也让另一些学者难以抗拒。

到此，所有高维理论描述的高维空间，都是卷缩在普朗克长度以下的，也就是说非常非常小。

M理论的11维大统一

1990年，在第二次超弦革命中，作为弦论领军式人物的爱德华·威滕，在10维超弦的基础上，再加上1个空间维度，统一了之前5个不同版本的超弦论，而这1个维度不同于其他高维，并不是卷缩的，而是一个很大的维度。

自此M理论成了弦论的终极版本，而且宇宙被描述成了具有11个维度。

而在M理论中，多出来的最后的一个维度，将物质基础的“弦”拉成了“膜”，而M理论中最关键的就是狄利克雷膜概念，俗称D膜。

所以M理论，通俗的来说可以叫做膜论。

结论：

通过物理学的发展史，就可以看出：之所以会有高维理论，之所以宇宙会有11个维度，全因为高维空间可以让自然定律更简单，而要达到物理学追求的大统一，这是必不可少的。

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