探讨宇宙中所有物质瞬间消失的情景,是否空间依旧能够存在,是一项触及物理学根本的思考。

这个问题涉及到对空间、物质以及宇宙本质的深刻理解。
在历史上,不同的科学家对此有着截然不同的见解,其中最著名的争论可能来自于艾萨克 牛顿和戈特弗里德 莱布尼茨之间的经典对话。
一、物质与空间的哲学探讨
在牛顿看来,空间是一个绝对存在的实体,它独立于物质存在,并为物质提供了存在的舞台。
牛顿认为,即便宇宙中的所有物质都消失了,空间本身依然存在,就如同一个无限大的容器,始终静静地待在那里。
这种观点在牛顿的经典力学体系中占据了核心地位,成为了解释物体运动的基础。
相对于牛顿的绝对空间观,莱布尼茨提出了一种截然不同的理论。

他认为,空间并非一个独立存在的实体,而是物体之间相对位置的一种表达。
换言之,如果宇宙中的一切物质都消失了,那么空间这一概念也就失去了意义。
莱布尼茨的这一观点,强调了空间的相对性和关系性,对后来的物理学发展产生了深远的影响。
二、物理学的革命性发展
进入20世纪,爱因斯坦的相对论彻底颠覆了人们对空间和时间的传统理解。
在相对论中,空间和时间被统一为一个四维连续体 时空。
爱因斯坦认为,物质的存在决定了时空的曲率,而时空的曲率反过来又影响了物质的运动。
这一理论意味着,如果宇宙中的所有物质都消失了,时空本身也会发生根本性的变化。
从这个角度来看,空间(或时空)与物质是密不可分的,它们共同构成了宇宙的基本结构。

进一步地,量子场论和弦理论等现代物理学理论,为我们理解空间、物质以及宇宙的本质提供了更加深刻的视角。
量子场论揭示了所谓的 真空 实际上充满了虚粒子的产生和湮灭过程,空间从来都不是完全空的。
而弦理论则提出了宇宙可能拥有比我们所知更多的维度,物质的基本单元不再是点状的粒子,而是维度更高的弦。
在探讨宇宙中所有物质瞬间消失的情境下,空间是否还能存在的问题上,现代物理学提供了一个相对于牛顿和莱布尼茨时代更加复杂和细腻的答案。
空间和物质不是独立存在的实体,而是相互作用、相互定义的。
在没有物质的宇宙中,我们目前理解的空间概念可能会失去意义,因为空间的本质和结构在很大程度上是由物质的存在所决定的。
这一观点不仅挑战了传统的物理观念,也为我们理解宇宙的本质提供了全新的视角。
随着物理学理论的不断深入和发展,对于空间与物质关系的理解也将持续演化,揭示出更多关于宇宙奥秘的知识。
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