
通过天文望远镜,我们观测到数百亿光年外的星系、恒星、行星等天体,这些观测数据与广义相对论、宇宙大爆炸理论等相契合。
例如,宇宙微波背景辐射的发现,为宇宙起源于大爆炸提供了关键证据,它均匀分布于整个宇宙空间,是宇宙早期状态的“残留信号”。
物理规律的普适性:
宇宙中物理规律具有普适性,无论在地球、太阳系还是遥远的星系,重力、电磁力等基本相互作用都遵循相同规律。
这种规律性表明宇宙是一个客观存在的实体,而非人类主观臆想的产物。
例如,行星绕恒星运动的椭圆轨道规律,在银河系内外众多恒星系统中都普遍适用。
宇宙意义不依赖智慧生命
宇宙自身的演化与结构形成:
宇宙从大爆炸开始,经历了引力坍缩、恒星核合成、超新星爆发等过程,形成了如今复杂的结构和丰富的元素。
氢、氦等轻元素在恒星内部通过核聚变合成更重元素,超新星爆发将这些元素抛射到宇宙空间,成为行星和生命的物质基础。

这一系列过程是宇宙自身演化的结果,与智慧生命是否存在无关。
例如,太阳系的形成是宇宙演化的一部分,地球作为太阳系行星,其诞生和演化遵循宇宙规律,并非因智慧生命出现才有意义。
自然现象的客观存在:
宇宙中存在众多壮丽的自然现象,如黑洞吸积物质释放巨大能量、星系碰撞融合形成新结构等。
这些现象是宇宙物质和能量相互作用的表现,具有客观性和独立性。
例如,黑洞作为宇宙中极端天体,其强大引力对周围时空产生显著影响,这种影响不因智慧生命观察与否而改变,是宇宙自身意义的体现。
哲学层面的客观意义:
从哲学视角,宇宙意义在于其客观存在和内在规律。
即使没有智慧生命,宇宙依然按照自身规律运行,这种运行本身具有价值和意义。
例如,古希腊哲学家亚里士多德认为宇宙是一个有序整体,各部分相互关联、遵循必然规律,这种秩序和规律是宇宙意义所在,与人类认知无关。
智慧生命对宇宙意义的认知是主观附加

人类认知的局限性:
人类作为智慧生命,对宇宙意义的认知受自身认知能力和文化背景限制。
我们以自身经验和价值观衡量宇宙,认为宇宙意义与生命、文明相关,但这只是主观视角。
例如,古代人类认为地球是宇宙中心,这种认知受当时观测手段和科学水平限制,随着科学发展被证明是错误的。
宇宙意义的多元性:
宇宙意义可从不同层面理解,除智慧生命视角外,还有科学、哲学、美学等层面。
科学层面,宇宙意义在于探索自然规律、拓展人类知识边界;
哲学层面,在于思考宇宙本质、人类存在意义;
美学层面,在于欣赏宇宙壮丽景象、感受自然之美。
这些意义不依赖智慧生命存在,而是宇宙本身属性体现。
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