事件回顾:宇宙中有哪些神秘的现象?

宇宙是人类探索的最终前沿,它包含了无数的奥秘和惊奇。
科学家们利用各种先进的仪器和方法,不断地观测和研究宇宙,试图揭开它的面纱,理解它的规律,探索它的起源和命运。
然而,宇宙并不轻易地向人类展示它的真相,它总是给人类带来新的挑战和困惑,让人类不得不承认自己的无知和局限。
在宇宙中,有许多神秘的现象,它们或是难以解释的奇观,或是难以探测的信号,或是难以理解的规律,或是难以预测的变化,它们让科学家们感到困惑和好奇,也激发了科学家们的创造和突破。
以下是宇宙中最神秘的六个现象,它们分别是:
暗物质和暗能量:它们是宇宙中占据绝大多数的两种神秘物质,它们的存在和性质是现代物理学的最大谜团,它们对宇宙的结构和演化有着重要的影响,但是它们到底是什么,为什么存在,如何检测,目前还没有明确的答案。
引力波:它们是由于时空的扭曲而产生的微弱的波动,它们是爱因斯坦广义相对论的重要预言,它们可以揭示宇宙中最极端的天体和事件,如黑洞、中子星、大爆炸等,但是它们非常难以捕捉和分析,目前只有少数的引力波事件被成功探测和识别。

超新星:它们是恒星在生命的最后阶段发生剧烈的爆炸,它们是宇宙中最亮的现象之一,它们可以产生大量的高能粒子和辐射,它们可以影响周围的星系和星际介质,它们可以形成新的天体和元素,但是它们的爆发机制和类型还有很多不清楚的地方,它们的观测和模拟还有很多困难和挑战。
超大质量黑洞:它们是宇宙中最神秘的天体之一,它们具有极强的引力,可以吞噬周围的物质和光线,它们通常位于活跃星系的中心,与吸积盘和喷流相伴,它们对星系的形成和演化有着重要的作用,但是它们的起源和性质还有很多未知,它们的观测和理论还有很多不足和矛盾。
宇宙微波背景辐射:它们是宇宙最古老的电磁辐射,它们是宇宙大爆炸后留下的热痕迹,它们是宇宙的“初生照片”,它们可以反映宇宙的早期状态和演化历史,它们是宇宙学的最重要的观测证据之一,但是它们的精确测量和解释还有很多困难和问题,它们的起源和性质还有很多谜团和挑战。
多重宇宙:它们是一种极具争议的假设,它们认为我们所处的宇宙只是无数个可能存在的宇宙中的一个,它们可能有不同的物理定律和参数,它们可能与我们的宇宙相互隔离或相互影响,它们可能是宇宙的最终解释,也可能是人类的幻想,但是它们的存在和证明还没有任何可靠的方法和依据。
事件分析:宇宙中的神秘现象有什么意义和价值?
宇宙中的神秘现象,是人类探索的动力,也是科学进步的源泉。
它们不仅可以满足人类的好奇心和求知欲,也可以促进人类的认识和理解,也可以推动人类的创新和发展,也可以提高人类的智慧和境界。

它们有以下几方面的意义和价值:
它们可以揭示宇宙的本质和规律,帮助人类构建更完善的宇宙模型和理论,解决宇宙学的一些基本问题,如宇宙的起源、结构、演化、命运等,增进人类对宇宙的认识和理解,拓展人类的视野和思维。
它们可以检验物理学的基本原理和假设,帮助人类发现和纠正物理学的一些缺陷和错误,提出和验证物理学的一些新的概念和假说,完善和统一物理学的各个分支和层次,推动物理学的发展和革新。
它们可以激发天文学的新的观测和实验,帮助人类设计和建造更先进的仪器和设备,开发和利用更多的观测手段和平台,获取和分析更多的观测数据和信息,提高和优化天文学的观测能力和效率。
它们可以促进科学的跨学科和交叉融合,帮助人类建立和发展更多的合作和交流,整合和共享更多的资源和成果,解决和应对更多的挑战和问题,形成和壮大更多的科学团队和社区。
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