我们所知的宇宙学都是错的?宇宙膨胀速度超预期

科学家们所称的暗物质和暗能量，其很大一部分来源与宇宙大爆炸时留下的余晖——也就是所谓的"宇宙微波背景辐射"（CMB）有关。

迄今人类进行的针对"宇宙微波背景辐射"分布的最精确的测量（如图）是由欧洲空间局（ESA）发射的普朗克卫星所完成的

　　宇宙膨胀的速率被称作"哈勃常数"，天文学家们一直在非常努力地测定其精确数值。

现在，他们得到了迄今最为精确的测量数据，根据这一测量结果，专家们发现宇宙的膨胀速率比我们原先的预计还要快大约8%。

　　然而这里出现了一个严重的问题，那就是这一数据与大爆炸留下的辐射余晖信号不相吻合。

这也就意味着，如果此次观测得到的数据在未来的观测中被进一步证实，那么我们目前关于宇宙学的所有观点都将被重写。

　　这项研究的首席科学家，美国约翰·霍普金斯大学的物理学家亚当·里斯（Adam Riess）对《自然》杂志表示："我认为，在宇宙学的标准模型中存在一些我们还尚不能理解的地方。

" 　　目前被广泛接受的宇宙学标准模型指出，宇宙处于暗物质以及暗能量这两种互相对抗的神秘力量的平衡支配之中，它们两者的强弱决定了宇宙的演化命运。

暗物质产生的引力效应会造成宇宙膨胀的减速，而暗能量则相反，它的存在将加速宇宙的膨胀。

　　如果观测证实宇宙的膨胀比我们预料的更快，那么这就意味着暗能量这种目前我们对其本质几乎还一无所知的力量，相比宇宙诞生之初已经变得更加强大了，它正在驱动我们的宇宙以越来越高的速度发生膨胀。

　　里斯教授与同事们此前所开展的研究工作显示暗能量的强度应当是稳定的。

但多年以来，这一观测数据与哈勃常数的直接观测得到的宇宙膨胀数据不相符合。

哈勃常数是通过观测星系中的"标准烛光"，并据此测算远离我们银河系的退行速度计算得到的。

　　但尽管有这样那样的不符合，但那些误差都足够小，位于计算的正常误差范围内，因此是可以被忽略的——直到现在。

　　里斯教授的团队利用哈勃空间望远镜数百个小时的观测时间，对18个河外星系中的两类"标准烛光"进行了详细观测。

他们以大约2.4%的误差率测定了哈勃常数数值，而此前的测量误差率是3.3%。

依据这一结果，他们发现据此计算的宇宙膨胀速度要比此前根据欧洲普朗克卫星计算得到的值要超出8%左右。

　　科瓦克·阿巴扎今（Kevork Abazajian）教授是美国加州大学欧文分校的一名宇宙学家，他本人并未参与这项研究。

他认为这一结果有可能会颠覆当下的宇宙学。

他说："如果我们考虑普朗克卫星的高红移测量结果与此次研究中得到的哈勃常数间的冲突，一种可能的解释就是在宇宙早期存在着某种额外的暗辐射源。

" 　　要想出现这种情况，一种可能性是构成暗物质的基本粒子可能具有与我们目前设想所不同的性质，而这种差异将对早期宇宙的演化产生影响。

另外一种可能性则是，暗能量并非恒定不变，而是随着时间推移会变得越来越强大。

　　普朗克卫星项目科学家，法国巴黎天体物理研究所的弗朗西斯·布切教授（Fran?ois Bouchet）表示，自己对普朗克卫星测量团队的数据有着充分的信心，但仍然对这一新研究结果感到兴奋，不管它最后得出的结论是什么。

　　还存在着第三种可能性，那就是正如美国芝加哥大学天文学家温蒂·弗里德曼（Wendy Freedman）教授所提出的那样，在天文学中得到广泛应用的标准烛光本身，在涉及精密测量方面可能是不够可靠的。

目前温蒂教授和她的团队正着手采用不同方法重复这一观测，以便对此研究进行检验。

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