暗物质被誉为解释宇宙最具权威的理论。
而我们对万有引力的理解可以解释苹果为什么会从树上掉下来以及地球是如何绕太阳运行的。
但是当涉及到宇宙中最庞大的东西：将这些定律运用到星系上目前的理论让所有的科学家失望。
新的证据表明：暗物质并不存在，万有引力是错误的。
为什么解释宇宙的行为暗物质这样的理论物质并不适用?因为我们从未直接看到过它，更糟的是，它的存在更是物理学界的谜。
少数人认为暗物质根本不存在，而且我们对万有引力的理解需要调整。
认为宇宙中最大的结构存在某种无形物质的想法并非凭空而来。
像科学中的许多事物一样，暗物质的概念是许多渐进步骤的结果。
最著名的一个例子是1781年发现星时，科学家们发现了一个不正常的物体。
艾萨克・牛顿的定律对一个离太阳这么远的行星如何运动做出了明确的预测，但天王星拒绝遵守这些规则，几十年来，它的运动速度太快，比预测的要快很多。
但是之后动作变慢了。
有些人认为这是因为万有引力定律根本上的缺陷;另一些人则认为太阳系中可能有另一个天体在向天王星“投掷扳手”(柯伊伯天体带的奇怪轨道使现代天文学家认为可能有第九颗行星)。
最后，天文学家发现了另一个天体海王星，牛顿定律仍然是安全的。
但后来，当天文学家发现水星的轨道也有点偏离时，牛顿的万有引力定律站不住脚了。
后来科学家们采取了一个新的理论。
的广义相对论解释说：像太阳这么大的物体在宇宙中会扭曲时空。
但这在水星的轨道上留下了一个怪癖，因为它离太阳的引力扭曲很近。
但是在宇宙的宏伟计划中，行星轨道就像是小土豆。
在二十世纪三十年代，科学家们对星系的行为表现得更不知所措。
螺旋星系中的大多数恒星都集中在宇宙中心附近，所以假设这是宇宙中大部分的质量，万有引力暂时是合理的。
但是冥王星以比水星更慢的速度绕太阳公转(从星系中心到恒星的距离越远，它的轨道就越慢)。
但事实并非如此。
离星系中心最远的恒星移动的速度和接近恒星的速度一样快。
在二十世纪六十年代，天文学家薇鲁宾和肯特福特称：这是因为宇宙中存在一些看不见的质量(暗物质)。
但是直到今天我们仍然没有看到这个看不见的质量，因为它不吸收、反射或发出光，我们也没有直接检测到它。
但很多科学家已经提供了无数的证据证明它的存在。
暗物质的质量扭曲时空把星系变成放大镜，它的影响留下了从宇宙的诞生中被称为宇宙微波背景辐射遗留下的痕迹。
今天，科学家们估计暗物质在宇宙中构成了27%的物质，而普通物质占不到5%。
1983年，一位名叫米尔德・海米尔・格罗姆的以色列物理学家提出了另一种解决方案：暗物质并不存在，万有引力是错误的。
他的修正牛顿动力学(MOND)理论建议我们调整牛顿第二运动定律，即物体加速的速度与施加在它身上的力成正比。
米格罗姆说，也许在某些情况下，这些定律会改变，比如恒星离星系中心很远的时候。
如果米格罗姆的定律是正确的，我们就可以解释恒星的速度，而不需要调用不可见物质(暗物质)的存在。
自那以后，许多文献都表明，对引力的修正实际上可以产生我们在星系中看到的精确行为。
一旦我们看到了大局，暗物质的存在以及牛顿的万有引力就不妙了。
MOND(蒙德模型)显示，星系团内的碰撞并不表现出应有的行为，而宇宙微波背景中的模式也与之不匹配。
这有点像拉毛线来修补毛衣上的洞，并在此过程中毁掉毛衣的其余部分。
不过，暗物质阵营也有其挑战，主要是因为我们只能模拟宇宙的很多部分。
现在，暗物质模拟通常包含上万亿个粒子，并试图考虑光子压力、恒星形成、超新星和其他反馈效应。
但是每个星系估计包含1060和1080的暗物质粒子。
对于小而中等大小的星系，留下了超过一百万个粒子的因子，所以我们不能证明它们的行为是由暗物质引起的。
修正万有引力的最大挑战是它将改变现代宇宙学大尺度上的很多理论;暗物质的挑战是正确地再现最小尺度的细节。
但就证据而言，暗物质正在获胜即使我们不得不带着某种健康的不确定性接受它。
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
