物理学家提出支持循环宇宙模型新理论

　　新浪奇闻快递 北京时间7月15日消息，据物理学家组织网站报道：根据现有的宇宙学观测结果和理论，我们所能观测到的"可见物质"仅仅占据宇宙质量的很小一部分，占据主导地位的是暗能量。

而在这种神秘物质诸多让人困惑的性质之中，有一条是它们的密度似乎是不随时间改变的。

这就意味着，即便宇宙随时间推移不断膨胀，暗能量将不会随之被稀释。

这一点和普通物质存在重大的差异。

　　也就是说，随着宇宙膨胀，暗能量似乎会从真空中"无中生有"般不断被"创造"出来，填补宇宙膨胀后留下的空挡并维持暗能量总体密度的不变。

因此很明显可以看到随着时间推移，暗能量将在宇宙中占据更加主导的位置，而现在它已经占据了全宇宙质量的73%。

　　对此的一种最简单的解释或许是认为暗能量其实是时空的一种固有属性，因此当宇宙膨胀，时空增加，暗能量便同样随之产生出来，从而维持其密度不变。

这还是可以接受的，因为我们必须认为暗能量这个名字是具有误导性的，它并非是一种真正的"能量"，否则我们赖以为科学基石的热力学三大定律就失效了。

　　有一种最简单的理论来解释宇宙呈现的均匀膨胀，那就是假设暗能量具有负压力，这其实也是膨胀的固有属性。

　　从实际观测数据上来看，宇宙呈现明显的平直性，这意味着暗能量的压力和密度比约为1，或者更准确的说，是-1，因为这里讨论的是负压力。

这种关系被称为暗能量的状态方程。

　　对于宇宙的未来命运，一种简单的解决方法就是假定暗能量的性质将保持不变，并且其压力/密度比同样保持-1的水平。

　　但是如果这个比值会出现变化呢？比如不再是-1了呢？如果出现这样的变化，情况就会有很大的不同。

　　如果暗能量的密度随时间降低，宇宙的膨胀速率将出现下降，如果其压力/密度比达到-1/3，那么宇宙的膨胀甚至会出现停滞。

反过来，假如暗能量密度增长，随之其压力/密度比达到-1下方，如-2或-3，则会出现幽灵能量模型(phantom energy scenario)所描述的情形。

不过这里要指出的是，幽灵能量的概念目前仅仅存在于理论推算中，是一种假设。

　　但不管怎样，我们就先假设随着宇宙的膨胀，一切遵循幽灵能量模型进展，暗能量密度上升，那么它就有可能使宇宙尺度在有限的时间内膨胀至无限大，物质连接物，原子和分子等基本粒子，甚至亚原子粒子都将被撕裂，出现所谓的"大撕裂"(Big Rip)。

当暗能量的压力/密度比达到-1.5，这种情形将在短短220亿年内发生。

　　物理学家弗兰普顿(Frampton)等人提出了一种与此不同的替代方案，称为"小撕裂模型"(Little Rip scenario)。

在这一模型中，他们假设这种压力/密度比将随着时间变动，物质的链接，基本粒子也同样会被撕裂，但是其中的不同点在于他们限定这种比率的变动将不会导致宇宙尺度达到无限。

　　这一模型支持循环宇宙模型，因为它可以解决熵的问题。

在传统的大爆炸-大反冲循环宇宙模型中会面临一个熵的悖论问题。

因为随着所有物质都在引力作用下相互结合，宇宙中将不再残留自由能，那么最后你在大反冲的最终阶段仅仅能得到一个巨型黑洞而已，循环缺乏动力。

　　而"小撕裂模型"给了这一理论一条出路：既然所有的物质都被撕裂了，那么它们还能再次聚合在一起，形成新的恒星和星系，循环往复

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