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你相信吗 我们在通过研究微观粒子探索宇宙

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

20世纪是物理学发展的重要时期,从19世纪初到20世纪20年代末期,物理学基础理论发展取得了一系列重大突破,这些突破推动了我们对微观世界和宏观宇宙的认知和理解。


最重要的成就之一,就是人们对基本粒子的研究取得了重大发现。

人们逐渐认识到原子不再是组成物质的不可分割的最小单元。

在20世纪初,新西兰人欧内斯特·卢瑟福等科学家通过实验证明,原子内部仍然存在更加微小的结构。

大约在同一时期,德国理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦证明了物质和能量是等价的。

与此同时,物理学的一个新领域:量子理论提出光既可以表现为波,也可以表现为粒子。

到20世纪20年代末,人们发现原子核是由质子和中子组成的,并且发现这两种微观粒子是由一种新发现的力:强作用力,联结在一起。

同时这个时候还发现了反物质:除了带有相反的电荷外,反物质与物质完全相同,物质和反物质的结合可以发生湮灭,释放出纯能量。

这些发现推动了基础物理学的发展,为后来的核物理学和高能物理学的诞生奠定了基础。

例如,瑞士日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)寻找希格斯玻色子,这项研究将对基本粒子的认识产生深远的影响。


另一个重要的突破就是科学家们对"光"进行了深入的研究。

以爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论最为著名。

这些研究成果颠覆了经典物理学的大厦,在牛顿的经典力学之外,发展了两个既不相关、又相互衬托的理论。

这些理论揭示了光的本质,对现代通讯技术、光电子学、天体物理学等领域的发展产生了巨大的影响。

除了微观世界的研究,物理学家们还在宏观宇宙的认知方面取得了重大突破。

基于爱因斯坦的广义相对论,人们对大爆炸的逆向推演、宇宙的起源、星系结构的演化进行深入的研究。

天文学家们通过观测发现宇宙中的类星体、黑洞、暗物质等神秘的存在,这些发现激发了人们对于宇宙规模和演化的更加深刻的思考。


这些基础突破不仅在理论上贡献巨大,也为现代技术的发展和应用提供了有力的支撑。

从核能到电力电子技术,从计算机到航空航天技术,都离不开基础物理学的突破性发展。

例如,黑洞引发的引力透镜效应为望远镜提供了观测远处星系的手段。

同样,基础民生领域的发展都得益于基础物理学的突破性发展。


这些成就不仅是物理学家们的辉煌成果,更是人类智慧和勇气的结晶,它推动了人类认知能力、想象能力的进步,也为我们探索宇宙的奥秘拓宽了视野。

物理学的发展是人类智慧的结晶,同时也是未来创新和进步的基石。

人类对于宇宙和微观世界的理解,经历了数百年的发展与探索。

20世纪初,科学家们提出了原子模型和量子力学理论,揭示了物质的微观世界。

1913年,丹麦物理学家玻尔提出了玻尔理论,描述了电子在原子中的能级结构和电子如何吸收和放出能量。

1926年,奥地利物理学家薛定谔描述了新的原子结构,它将电子描述为一种波函数,而电子的位置和能量状态则呈现出一种概率分布的形式。

这些发现奠定了原子和量子力学的基础,对理解原子光谱和化学反应具有重要意义。


科学家们对于宇宙的理解也不断深化。

1838年,德国天文学家贝塞尔首次对太阳以外的恒星进行了"可靠"的距离测量,测量结果显示最近的恒星也需要10.3年才能发出的光到达地球。

直到1912年,人们才发现了一种可以用于估算更多遥远恒星距离的方法,通过一类被称为造父变星的恒星的周期和亮度之间的联系,人们可以更准确地估计它们与我们的距离。

在这个基础上,人们发现了一些恒星远在数万光年之外,而天空中一些模糊的螺旋状星云斑块,似乎也远在数百万光年之外。


原子模型和量子力学理论的发展,以及对宇宙的认识,让人们对于宏观和微观世界的理解更加深刻和准确。

这些发现不仅带来了科学上的进步,也激发了人们对于世界本质和未知领域的好奇心和探索欲望,推动了人类不断前进的步伐。

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