几千年来,科学界一直在探索夜空的奥秘,人类发现自己生活在一颗行星上,而这颗行星正绕着星系中的一颗恒星飞行。

而在浩瀚无垠的宇宙中,还有无数个这样的星系。
然而现在,科学似乎又要迈进一步了。
一种新观点可能会使宇宙学中先前取得的重大突破变得毫无价值。
这是人类能想到的最卓越的理论,究其原因,是因为我们对因果关系了然于胸:原因和结果,简单却权威。
因为事物环环相扣,所以我们可以跳出现在,大胆跨入未来,或信心十足地回溯到过去。
在这一理论的指导下,美国宇航员埃德温-哈勃通过观察星系运动,得出了影响深远的结论。
哈勃得出的哈勃图堪称20世纪最伟大的发现,他绘制出了天体之间的距离,估计了相对速率,或者说星系运行速度。
可以想象,在绘制此图时,哈勃发现离地球越远的星系,正以越来越快的速度远离我们。
哈勃图告诉我们宇宙正在膨胀,而这彻底颠覆了我们对宇宙的理解,宇宙不是一成不变的,而是在不断地膨胀,随着时间的推移,它会越变越大,所以人们很容易想到,如果它随着时间不断膨胀,那么它的起源在哪里?
这就产生了对宇宙起源的最初猜想,比如,宇宙大爆炸。
宇宙膨胀说的提出是科学史上最重大的突破,足以跟达尔文的进化论相提并论,这一学说告诉我们,宇宙并不一直都是现在这个样子,它告诉我们,我们来自于某些变化,某些猛烈,极不寻常的变化。
对于科学界最大的难题,宇宙大爆炸给出了巧妙地回答,它是一项惊人的理论,它让我们对起源有了一个概念,不管这个理论听起来有多么奇怪,至少我们了解了自己来自何方,这一点令人欣慰。

科学使我们确信我们的宇宙形成于137亿年前的一次爆炸。
多亏了因果关系,科学揭示了宇宙大爆炸后紧接着发生了什么。
但有些问题宇宙大爆炸有些说不通,因此人们开始提出一些不可思议的观点,即大爆炸并非宇宙的起源,他们认为宇宙在大爆炸之前就已经存在了!
十几年前,这可绝不会发生,那时讨论大爆炸前的事完全是无稽之谈,但现在这是完全合理的。
不得不承认,哈勃图尽管意义非凡,但仍存在着巨大的不足。
它揭示了现在我们在宇宙中观察到的一切,我们自己,树木,星系,斑马都是瞬间产生的,从无到有。
这就是问题所在:只有结果,却没有原因!
“一切从无到有”理论,是物理学家加来道雄职业生涯中一直涉及的课题。
这个理论听起来很不现实,甚至很荒谬。
试想,一切从无到有,星系,恒星,天空,都从一个点而来,怎么可能呢?怎么可能一切从无到有呢?但是,如果你仔细想想,就会发现这完全取决于你如何定义“无”。
在俄亥俄州的桑达斯基,有一个青梅溪研究所,在那里,美国宇航局模拟了宇宙的状态,也就是说营造“空无一物”,而且是大批量地。
那里有世界上最大的真空室,研究所被厚达8英尺(2.4米)的墙(用2000吨固态铝制成)所包围,抽尽里面的空气需要两天时间,还要一周时间用低温杀死残留的分子,以创造绝对真空的环境。
一座有教堂那么大的空间,里面空无一物。
如果这座实验室开始运作,这就是我们追求的“无”的状态。
不论看向哪里,我们总能看到物体,我们看到了原子,树木,森林和水。

但是在那座实验室里,我们把所有的原子都抽走了,那里很可能就是起源地。
所以如果你真正理解了“无”状态,你也就了解了宇宙起源的始末。
当然,事情远没有那么简单。
首先,美国宇航员制造出来的“无”仍然有一个维度,那是三维的“无”,而且在真空室中进行的实验是可见的,在这个“无”中,光线是可以传播的。
因此,美国宇航局的“无”是有属性的,这种“无”实际上也是“有”。
物理学家加来道雄认为有两种“无”,首先一种是“绝对无”,没有物质,没有空间,没有时间,任何人能想到的东西都没有,什么都没有。
另一种就是真空,也就是仅仅没有物质。
加来道雄教授所说的“无”是一种绝对真空,从表面上看,只有能量,但在绝对真空的环境中,能量有时会暂时地,直接地演变成物质,我们的宇宙就起源于这种极其微小的一丁点大的爆炸。
加来道雄的观点是,宇宙并非起源于绝对的“无”,不是没有物质,没有空间,没有时间,而是起源于一种已存在的状态,那也是“无”。
正是那些小爆炸形成了我们今天的宇宙,继而引发了宇宙大爆炸,还有今天的星系和恒星。
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