人类探索宇宙的主要一步：火星的古代和现状

火星这颗红色的星球一直以来都激发着人类的好奇心和探索欲望。

它是太阳系中距离地球第四近的行星，也是我们最有可能实现人类定居的外星目标之一。

火星的表面呈现出一种暗红色，这是由于其表面覆盖着大量的氧化铁。

火星上有着壮观的峡谷山脉和陨石坑，这些地貌为科学家们提供了研究地球形成和演化的主要线索。

对于人类来说火星的探索具有主要的意义。

·首先火星可能曾经存在生命，通过对火星的研究我们可以更好地了解地球生命的起源和演化。

·其次火星上可能存在着可供人类利用的资源，例如水和矿物质，这些资源的开发和利用将为人类未来的宇宙探索提供主要的支持。

目前已经有多个探测器成功登陆火星，为我们提供了大量关于火星的信息。

未来人类将进一步探索火星，甚至有可能在火星上建立永久性的定居点。

火星的探索是人类探索宇宙的主要一步，它为我们提供了了解地球和宇宙的新视角，让我们共同期待着更多关于火星的发现和探索成果，为人类的未来开拓更广阔的空间。

火星这颗红色的星球一直以来都激发着人类的好奇心和探索欲望，从古至今人类对火星的观测和研究从未停止。

以下是人类探索火星的古代和现状：

·1.1962年11月苏联发射"火星1号"探测器，其在飞离地球1亿公里时与地面失去联系，它被看作是人类探测火星的开端。

·2.1964年11月28日美国发射"水手4号"探测器，1965年7月15日第一次成功飞临火星，它与火星的最近距离为9846公里，拍摄并回传21幅照片发现火星上存在大量环形山，大气密度为地球的1%，该探测器于1967年12月21日失联。

·3.1969年美国的"水手5号"探测器和"水手6号"探测器飞掠火星表面拍摄200多幅照，展示了火星表面超出预料的低温度和二氧化碳浓度，同年"水手7号"探测器也传回126幅照片。

·4.1971年5月苏联发射"火星3号"探测器，当年12月在遭遇了火星沙尘暴后与地面失去联系。

·5.1972年美国"水手9号"探测器成为火星的第一颗人造卫星，长期在火星轨道上飞行考察，成功拍摄火星全貌，累计拍摄7329幅火星照片，展示了火星的外形外貌。

·6.1975年8月美国"海盗1号"探测器发射，1976年7月顺利着陆火星并传回彩色照片。

·7.1996年12月美国发射"火星探路者号"探测器，其携带的着陆器"旅居者号"于1997年7月释放火星表面。

·8.1998年7月日本"希望号"探测器发射，但故障频繁，日本最后于2003年宣布该任务失败。

·9.2001年4月美国"奥德赛号"探测器发射，它发现火星表层可能富含冰冻水。

·10.2003年美国"勇气号"和"机遇号"火星车先后发射，双双成功登陆火星，6年后"勇气号"与地面失去联系。

·11.2003年欧洲航天局发射"火星快车"探测器，其携带的"猎兔2号"着陆器着陆火星后无法与地球联系。

次年"火星快车"探测器发现火星南极洲存在冰冻水，这是人类第一次在火星表面发现水。

·12.2005年8月美国发射"火星勘测轨道飞行器"。

·13.2007年8月美国发射"凤凰号"探测器，2008年5月着陆火星北极，5个月后美国航天局宣布与其失去联系。

·14.2011年11月9日，中国首颗"萤火一号"探测器与俄罗斯"福布斯-土壤"探测器一同发射，分赴火星和火卫，但在飞行过程中出现意外，未能按计划变轨。

·15.2011年11月美国"好奇号"火星车如愿升空，8个多月后平安着陆。

截至2023年1月，人类已经向火星发射了数十个探测器，对火星的探索也取得了一些成果，包括发现了火星上存在水、大气和曾经存在生命的证据等。

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