
科学家们穷尽所能,只为能多破解一些关于它的谜团。
然而,这其中却存在着某些,无论人类科学变得如何昌明,都无法破解的奥秘。
比如下面这八个,至今都没有答案的宇宙之谜!
重力的本质
说起重力,大家应该都不会陌生。
然而,却没人能解释清,它的本质究竟是什么。
牛顿曾试图解开这个谜题,但也仅是提出了一种,描述其作用方式的方法而已。
在此基础上,爱因斯坦也曾尝试将其更进一步。
只不过,即便他穷尽人生最后的几十年,也未能弄清问题的答案。
作为一种自然力,重力其实是非常微弱的。
不信看看周围,光是把你留在地面上的重力,就需要整个地球的质量才能产生。
时至今日,尽管科学家已经掌握了它在时空框架下的行为方式。
却依旧对这种力量的本质,一无所知。
宇宙是否无限
我们都生活在一个,叫做可观测宇宙的巨大泡泡当中。
一种观点认为,在它的外面还存在数量众多的平行宇宙。
另一种观点,则认为宇宙是唯一且无限的。
在无限的宇宙中,只要你旅行足够远,就必定会找到另一个地球,以及在那里生活着的另一个自己。
然而,由于宇宙的加速膨胀,导致我们永远无法观测到它的全貌,更无法飞到边缘,看看外面究竟是什么了。
所以,这可能是个永远没有答案的问题。

双缝干涉实验
这是一场违反人类直觉的实验,它证明了光子的波粒二象性。
当你向一个有两条缝隙的障碍物发射光子,如果通过的是波,那么当其穿过缝隙,就会在对面的墙上留下一排整齐的干涉条纹。
如果为粒子,墙上出现的,就会变成两条竖线。
然而,实验中却出现了一个极其诡异的现象。
墙面上原本整齐的干涉条纹,却因为在障碍物前安装了摄像设备,就瞬间变成了两条竖线。
说白了,就是你看了一眼桌上的面包。
下一秒,它就变成了一堆散装的面包糠。
宇宙会消失吗
宇宙学中一个伟大的猜想,就是宇宙的最终结局会是什么。
一种观点认为,它将永远继续下去,直至恒星燃尽、黑洞蒸发、一切都归于无尽黑暗。
另一种观点,取决于质子是否会衰变。
尽管这还是个未知数,但如果它们真的开始衰变,也就意味着整个宇宙的彻底终结,因为所有物质,都将会在这一过程中完全溶解。
还有一种观点则认为,目前的宇宙,并非处于真空状态。
假如,宇宙中突然发生了某种,足以推动其进入完全真空的事件,那结果绝对将是灾难性的。
在光速扩张的作用下,整个宇宙都将被撕裂成碎片。
大爆炸是如何发生的
依据弦理论及其变体中所说,宇宙最初是悬浮在一种薄膜上的,当它与其他薄膜产生碰撞,就引发了大爆炸。
除此之外,还有很多其他理论,也在试图对其做出解释。
比如宇宙是由量子涨落引发的,以及多元宇宙论。
还包括宇宙是由黑洞的另一侧,也就是白洞所喷射出的物质形成的等等。

但无论情况如何,我们恐怕都无法回到大爆炸发生的那个瞬间,去验证当时究竟发生过什么了。
时空的11个维度
虽然说,宇宙究竟有多少个维度,其他维度又是否真的存在仍然是极具争议的。
但在弦理论中,却存在着假设的可能性。
其中一种较为主流的解释中,宇宙是拥有11个维度的。
即十个空间维度,和一个时间维度。
之所以我们看不到这些空间维度,是因为它们被卷曲起来了。
这才导致我们无法感知到其他的维度。
不过,无法感知就代表找不到入口,也就意味着不能真正证明它的存在。
因此,这恐怕终将是个破解不了的谜团。
时间旅行可能吗
无论未来还是过去,至少在一个方向上进行时间旅行会是可能的吗?毕竟,我们本身,就在随着钟表的滴答声,进行着一场时间旅行。
理论上讲,只要在太空中以极快的速度行进,作用在你身上的时间流速,就会与地球上的人有所不同。
至于回到过去,那就要难太多了。
因为你必须穿越黑洞或是虫洞才行。
而且,成功的可能性也仅是理论上而已。
这表明,我们将永远无法弄清该如何回到过去。
因为穿过黑洞的人,几乎是100%回不来了。
如果指望科技发展来解决,那估计在弄清之前,人类恐怕就早已彻底灭绝了。
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