一次剧烈的宇宙大爆炸将一切物质地喷洒出来,形成了如今璀璨、广袤的宇宙,同时也催生出我们最精彩的生命。

生命的形式有千千万,但要说那种是生命更奇妙,那就要属我们人类了。
地球上的生命都是由碳元素为骨骼形成的,因此我们人类也是碳基生命,但是因为我们会思考、能使用工具所以我们成为地球上最繁盛的生命。
人体组成元素
然而,将衡量生命强弱的尺度放大到整个宇宙之中,碳基生命并非是宇宙中的最强者,比如说一直出现在科学家假说中的硅基生命。
科学家认为,硅基生命一直都存在于宇宙之中,是等级强过人类的高等生命。
那么这种所谓的硅基生命究竟存不存在呢?它们到底有多强大?
什么是硅基生命?
46亿年前,地球在太阳系中诞生,这是一颗由岩石构成的星球,上面遍布着岩浆与乱石,既没有大气层也没有其他的遮挡,就这么空荡荡的接受来自太阳的光照“大礼包”,别说是细胞,连个蛋白质分子都没有,可以说是非常荒凉了。
那么,地球是怎么变成今天这幅生机勃勃、枝繁叶茂的生命呢?
细胞
是一个不起眼的绿植改变了这一切,绿藻的出现形成了光合作用,吸收了空气中的二氧化碳,释放出氧气与能量,地球的生命开始扬帆起航。
从一个个蛋白质分子,到细胞再到具有一条鱼,最后演化成人,这一路花了几十亿年,由于所有的地球上所有的生命中都是由C、N、O、H四种元素构成,其中以C元素最为基础,因此地球生命都是碳基生命。
随着时间的推移,人类逐渐摆脱了蒙昧,点燃了文明的灯火,这时大家就开始寻找起同类,大航海行动、外星人飞碟事件都是为了寻找同类而出现。
地球生命演化过程
然而,即使人类已经有能力登上月球了,那些传说的“高等生命”都没出现,外星人更是只有在漫画和科幻小说中出现。
但是,明明按照宇宙尺度,类似人类的高等生命应当在宇宙中很普遍的。
抱着这个疑问,人们继续寻找高等生命的步伐。

这时候,有学者提出,既然找不到高等生命的存在,我们可以以地球生命为模板来推测一下,高等生命的生物基础嘛,于是硅基生命的概念就出现了。
硅基生命想象图
那么有人就会想,为什么高等生命就是硅基生命,而不是什么由氮元素或者其他元素构成,它是天命之子吗?运气这么好?这是因为构成我们生命的碳元素与硅元素在元素周期表中同为第四主族元素,因此它们的化学性质有相似之处,所以才提出硅基生命。
故而,硅基生命就是由硅元素为有机物质基础的生物,它们的蛋白质分子的骨架全部都是硅骨架。
元素周期表
在科幻小说中,硅基生命被塑造成比人类更高等的智慧生命,不仅寿命长而且实力堪比超人,那么硅基生命到底有多强大?
硅基生命有多强?
作为碳基生命的一员,人类虽然有着聪明的大脑和强健的体魄,但是自然界中也存在许多的天敌,比如说:低温、高温、紫外线辐射、病菌都能让人类吃不了兜着走,单说一个低温,人们将冰块儿长时间握在手里,就会发生细胞被冻死的严重后果。
这是因为,碳元素太活泼导致分子机构不稳定造成的。
冻伤
而硅基元素相比碳基元素,内部结构更稳定,所以科学家推测硅基生命应当更能抵挡紫外线等辐射以及病菌的入侵。
所以,从这方面看,硅基生命确实比碳基生命要强大,起码当他们遇到新冠病毒时抵抗力比我们强,不容易患病。
不过,这还不是硅基生命最强大的点。
硅基生命强大之处在于它们可能是高智慧的“人工智能”生命。
因为硅是半导体元件的原料,可以说没有硅我们的电脑、手机都不能出现。
随着时代的发展,科学技术更进一步,人类或许能够制造出更高的人工智能生物,当这些生物有了自己的思想之后,就是名副其实的硅基生命。

人工智能
到那时他们就成了不用进行新陈代谢、有着无限能力的强大生物,可以说是不死不灭的存在。
因此,科学家才说硅基生命比人类强无数倍了。
那么,这样强大的硅基生命真的存在吗?
宇宙中存在硅基生命吗?
在地球上硅元素含量占26%,仅次于氧元素,是地球上第二大元素,但为什么地球上也没发展出硅基生命?这是由于硅元素用氧元素的结合能力非常强大,可谓是焦不离孟孟不离焦,导致自然界基本上没有单质硅,只有硅的氧化物。
而且,因为硅元素比碳元素的原子半径更大,对外层电子的约束力也不强,导致硅基化合物极其不稳定,要不是存在几秒钟就是只能在实验室才存活。
宇宙中各元素占比
而且,由于硅元素的性质,导致硅链的长度不够长,或者说硅链最多只能连接十几个原子,难以形成生物大分子,这对生命的新陈代谢活动带来巨大障碍,在一个硅链容易在水下断裂,因此硅基生物的命运从开始就注定了,既然它拥有了强大的实力,那么就意味着它的诞生不会轻松,毕竟世界上不会出现十全十美的生物。
二氧化硅晶体结构
科学家还根据硅的性质推测,它只能存活在高温环境中,才能像人类一样呼吸,而这在地球这个温度不高的环境中硅基生命确实是难以出现的。
但是在宇宙中可能会存在这样的生命,这是因为宇宙中天体众多,总能找到一个温度高的星球。
其次,地球只是宇宙中一个普通的星球,宇宙中不可能只有我们一种高等智慧生命。
结语
路漫漫兮其修远,吾将上下而求索。
虽然,如今的硅基生命还只是科幻小说中的虚拟形象,但是随着科学家不断地深入研究,在不远的未来我们将发现这个奇特的生命。
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