uux.cn美国国家航空航天局据加州大学河滨分校(朱尔斯·伯恩斯坦):一篇新论文认为,尽管表面温度高到足以融化铅、熔岩喷出的火山和蓬松的硫酸云,但不适合居住的金星为其他行星上的生命潜力提供了重要的教训。

加州大学河滨分校天体物理学家兼论文第一作者斯蒂芬·凯恩说:我们经常假设地球是宜居性的模型,但如果你孤立地考虑这颗行星,我们不知道边界和限制在哪里。
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金星给了我们这个。
这篇论文今天发表在《自然天文学》杂志上,汇集了许多关于地球和金星的已知信息。
它还将金星描述为一个锚点,科学家可以从中更好地了解其他恒星周围行星上排除生命的条件。
尽管它也有一个类似高压锅的大气层,可以立即使人类变平,但地球和金星有一些相似之处。
它们的质量和半径大致相同。
考虑到地球离那颗行星很近,人们很自然地会想知道为什么地球会变得如此不同。
许多科学家认为,太阳辐射通量,即金星从太阳获得的能量,导致了失控的温室效应,破坏了地球。
凯恩说:如果你认为地球接收到的太阳能是100%,那么金星收集了191%。
很多人认为这就是为什么金星的结果不同。
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但请稍等。
金星没有月亮,这给了地球海洋潮汐等东西,并影响了这里的水量。
除了一些已知的差异之外,美国国家航空航天局更多的金星任务将有助于澄清一些未知因素。

科学家们不知道它核心的大小,不知道它是如何达到现在相对缓慢的自转速度,不知道磁场是如何随着时间的推移而变化的,也不知道低层大气的化学成分。
凯恩说:金星没有可探测的磁场。
这可能与其核心的大小有关。
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地核的大小也为我们提供了行星如何自我冷却的信息。
地球有一个地幔从地核循环热量。
我们不知道金星内部发生了什么。
类地行星的内部也会影响其大气层。
地球上就是这样,我们的大气层很大程度上是火山放气的结果。
美国国家航空航天局确实计划在本世纪末执行两次金星任务,凯恩正在协助这两次任务。
DAVINCI任务将探测充满酸的大气,以测量稀有气体和其他化学元素。
凯恩说:DAVINCI将从上到下测量大气层。
这将真正帮助我们建立新的气候模型,并随着二氧化碳含量的不断增加,预测包括地球在内的其他地方的这种大气层。
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由美国国家航空航天局喷气推进实验室领导的VERITAS任务不会降落在地表,但它将使科学家能够创建详细的3D景观重建,揭示地球是否有活跃的板块构造或火山。
凯恩说:目前,我们对这颗行星的地图非常不完整。
了解这颗行星表面的活跃程度与它可能随着时间的推移而发生的变化是非常不同的。

我们需要这两种信息。
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最终,这篇论文主张对金星执行这样的任务主要有两个原因。
一个是有了更好的数据,利用金星来确保对遥远行星上生命的推断是正确的。
凯恩说:在宇宙其他地方寻找生命的过程中,令人清醒的一点是,我们永远不会有系外行星的原位数据。
我们不会去那里、着陆或直接测量它们。
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如果我们认为另一颗行星表面有生命,我们可能永远不会知道自己错了,我们会梦想着一颗没有生命的行星。
只有正确地了解我们可以访问的地球大小的行星,我们才能做到这一点,而金星给了我们这个机会。
研究金星的另一个原因是,它为地球的未来提供了一个预览。
凯恩说:研究金星的主要原因之一是,我们作为这颗行星的守护者,负有保护其未来的神圣职责。
我希望通过研究产生今天金星的过程,特别是如果金星的过去更温和,现在已经被摧毁,我们会从中吸取教训。
它可能发生在我们身上。
这是一个如何以及何时发生的问题。
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