大爆炸后5-8亿年诞生的六个大质量宇宙岛的图像。
Credit: 美国宇航局 / ESA / CSA / I. Labbe, Author provided
据美国物理学家组织网 by Ivo Labbe, The Conversation：“看看这个，”埃里卡的信息说。
她正在仔细研究全新的詹姆斯·韦伯宇宙望远镜 JWST拍摄的第一批图像。
现在是2022年7月，距离革命性的超级望远镜公布首批图像仅仅一周。
25年的制作过程，比以前的任何望远镜都强大100到1000倍，是人类古代上最大和最雄心勃勃的科学实验之一:很难不用最高级的语言来说话，这都是真的。
这架望远镜花了几十年时间修筑，因为它必须被制成可折叠的，以适应火箭的顶部，并被送到距离地球150万公里的寒冷宇宙中。
在这里，远离地球的热辐射，JWST可以探测到来自遥远宇宙的最微弱的红外光。
我不知道在这些照片中有一个小红点，它将动摇我们对大爆炸后第一个宇宙岛怎么形成的理解。
经过几个月的分析，我和我的同事刚刚在《自然》杂志上发表了我们的结果。
寻找新的宇宙岛
艾丽卡和我正在寻找新类型的宇宙岛。
古老的哈勃宇宙望远镜已经错过的宇宙岛，即使是在数十年的巡天之后。
她和我15年前就认识了。
我们相遇时，她是加州文理学院的一年级学生，而我是一名刚从大学毕业的博士，刚刚开始我在洛杉矶的第一份研究工作。
JWST只是一个遥远的谣言。
不知何故，许多年后，我们再次相遇，现在，我和科罗拉多大学的助理教授埃里卡·尼尔森正站在攻击一个非常真实的JWST的第一批数据的尖端。
她称这些新宇宙岛为“UFO”，我可以从字里行间读出一个很大的笑容:“超红色扁平物体”，因为它们看起来都像飞碟。
在彩色图像中，它们看起来非常红，因为所有的光都来自红外线，而宇宙岛在人类可以看到的波长下是不可见的。
红外线是JWST的超能力，让它能够侦察最遥远的宇宙岛。
来自大爆炸后形成的第一批太阳和宇宙岛的紫外线和可见光在向我们传播时被宇宙的膨胀所拉伸，所以当光到达我们时，我们看到的是红外光。
不可能的早期，不可能的很大宇宙岛
艾丽卡的所有宇宙岛看起来都像飞碟，除了一个。
我盯着屏幕上的小红点。
那不是UFO。
然后我突然想到:这是非常不同的事情。
主要得多。
我在小针刺上运行分析软件，它吐出两个数字:距离131亿光年，质量1000亿颗太阳，我差点吐出我的咖啡。
我们刚刚发现了不可能的事。
不可思议的早期，不可思议的很大宇宙岛。
在这个距离上，光需要130亿年才干到达我们这里，所以我们看到的宇宙岛是在宇宙只有7亿岁的时候，仅仅是现在138亿岁的5%。
如果这是真的，这个宇宙岛已经形成了和我们今天的银河系一样多的太阳。
以创纪录的速度。
哪里有一个，哪里就有更多。
一天后，我找到了六个。
天文学的缺失环节？
我们有可能发现天文学中缺失的一环吗？宇宙岛的形成有一个长期的秘密。
当我们在宇宙中远眺，回到过去，我们看到完全形成的成熟宇宙岛的“尸体”似乎在大爆炸后15亿年左右突然出现。
这些宇宙岛已经停止形成太阳。
我们称之为死亡宇宙岛，一些天文学家对它们着迷。
这些死亡宇宙岛的太阳年龄表明，它们肯定在宇宙中形成得更早，但哈勃从未能够发现它们更早的生命阶段。
早期死亡的宇宙岛是真正奇异的物种，聚集了和银河系一样多的太阳，但是体积却小了30倍。
想象一个成年人，体重100公斤，但身高6厘米。
我们的小红点也同样奥秘。
它们看起来像是同一个宇宙岛的婴儿版本，同样重100公斤，高6厘米。
太多明星，太早
天空中的六个宇宙岛及其周围环境。
Credit: 美国宇航局 / ESA / CSA / I. Labbe, Author provided
然而，有一个问题。
这些小红点有太多的太阳，太早了。
太阳是由氢气形成的，基本的宇宙学 “大爆炸”理论很难预测有多少气体可以形成太阳。
为了如此快速地产生这些宇宙岛，你几乎需要宇宙中所有的气体以接近100%的效率转化为太阳。
这非常困难，这是不可能的科学术语。
这一发现可能会改变我们对宇宙中最早的宇宙岛是怎么形成的理解。
这意味着有不同的渠道，一条快速通道，非常迅速、非常有效地产生很大宇宙岛。
顶层1%的快速通道。
在某种程度上，这些候选人都可以被认为是“黑天鹅”。
即使只有一个的证实也将排除我们目前的“所有的天鹅都是白色的”宇宙岛形成模型，在这个模型中，所有早期的宇宙岛都缓慢而逐渐地增长。
检查指纹
解开这个谜的第一步是用光谱学来确定距离，我们通过棱镜将这些宇宙岛的光分成彩虹般的指纹。
这将告诉我们0.1%精度的距离。
它还会告诉我们是什么产生了光，是太阳还是其他更奇特的东西。
一个偶然的机会，大约一个月前，JWST已经瞄准了六个候选大质量宇宙岛中的一个，它原本是一个遥远的婴儿类星体。
类星体是当气体落入宇宙岛中心的超大质量黑洞并开始璀璨发光时出现的现象。
一方面，这真的很令人兴奋，因为宇宙岛中超大质量黑洞的起源也不为人所知，找到婴儿类星体可能就是关键。
另一方面，类星体可以使它们的整个宿主宇宙岛变得更加璀璨，因此不可能说出有多少太阳以及宇宙岛是否真的有那么大。
这可能是所有人的答案吗？到处都是婴儿类星体？很可能不会，但还需要一年的时间来调查剩余的宇宙岛并找出答案。
一只黑天鹅死了，还有五只。
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
