修正广义相对论宇宙学面临难题，到底是谁错了

从提出至今，爱因斯坦的广义相对论经历了科学家们的多次验证，每一次都通过了考验，证明了爱因斯坦的正确性。

然而，试图找到相对论的不普适性的人始终存在，这一次又有科学家提出了新的看法。

我们知道，广义相对论直到现在还可以完美地解释宇宙中的宏观天体物理学现象，尤其是恒星、黑洞乃至星系级别。

但正所谓鞭长莫及，在量子领域，广义相对论遭遇了滑铁卢，完全无法进行解释。

如今，在宇宙尺度下，也有人对这个理论提出了挑战。

虽然爱因斯坦本人不敢相信，但广义相对论已经从理论上证明了宇宙是在膨胀的。

而且，根据1998年的一项研究，我们的宇宙甚至还在加速膨胀。

这意味着这种膨胀并不仅仅来自于宇宙大爆炸，而是还有一种机制在提供膨胀的能量，这就是所谓的暗能量。

这也符合量子理论的预测：即便是真空中，也充满了我们注意不到的能量。

人类的设备目前还只能观测能量的变化幅度，而不能确定其总量。

然而，根据目前对宇宙膨胀速度的观测，所需的暗能量似乎比量子理论预测的要少得多，这令科学家们有点困惑。

如果两个数字对不上号，是否说明暗能量其实不是导致宇宙膨胀的根源呢？如果真的是暗能量产生了斥力，为何这种力比理论预测的要小很多呢？

除了暗能量之外，宇宙中还有一些人类无法观测到的机制，那就是暗物质。

和暗能量不同，暗物质能够产生引力，它是将星系的天体聚拢在一起的关键，但同样无法被人类观测到。

关于暗能量和暗物质，目前有一个宇宙学理论得到最多的认可，那就是Λ冷暗物质（LCDM）模型。

根据该模型的推测，我们的宇宙的总质能中有大约70%被暗能量占据，还有25%是暗物质，我们能够看见的一切可见物质其实仅占了5%左右。

根据天文学家近20年来的观测，数据也基本符合这个模型。

但是，这个看起来已经符合预期的理论，也遇到了麻烦，那就是宇宙的膨胀速度。

天文学上衡量宇宙膨胀速度有一个参数，叫哈勃常数，这个常数被提出了差不多100年，但没有人知道它具体是多少。

其中LCDM模型可以帮助天文学家进行测算，通过宇宙大爆炸的余晖——宇宙微波背景辐射，天文学家测出了哈勃常数的一个数值。

天文学家还有一个更加简便的方法，那就是直接测量处于宇宙各个位置的天体和我们的距离，以及它们的退行速度，就可以算出哈勃常数的结果。

这两种方法看起来都是经过论证，没有问题的，但结果却并不相同，这意味着有一种方法存在着问题。

因此有人提出：或许LCDM模型并不准确，需要进行修正。

修正的方法有很多，其中一种就是对引力理论的修正。

换句话说，他们认为爱因斯坦的广义相对论或许存在着瑕疵。

因此，验证广义相对论的话题再一次被提出，也有更多科学家加入到这个行列中来。

朴茨茅斯大学宇宙学教授Kazuya Koyama和西蒙弗雷泽大学物理学教授Levon Pogosian等人在《自然-天文学》杂志上发表论文，介绍了他们的最新研究成果。

他们参考了大量的宇宙观测数据，测试广义相对论的准确性。

他们从三个方面对广义相对论进行了验证，分别是宇宙的膨胀、引力对光的影响以及引力对天体所产生的作用。

他们将三种验证手段结合起来，并利用一种名叫贝叶斯推断的统计学方法，在计算机中重建了宇宙的引力模型。

研究人员的数据来源非常广泛，包括欧洲航天局普朗克卫星的宇宙微波背景数据、超新星、美国的斯隆数字巡天（SDSS）项目以及暗能量巡天（DES）项目对遥远星系的形状和分布的观测等。

在建立模型之后，他们与现在基于爱因斯坦广义相对论的LCDM模型进行了比较。

没想到，他们还真的发现了一些特殊的情况，那就是计算机模型确实和LCDM模型有不同之处。

尽管统计学意义相对来说很低，但这也意味着LCDM模型以及爱因斯坦的广义相对论确实有很小的可能性是需要调整的，否则无法在大尺度下满足实际的天体物理学规律。

他们还注意到，仅仅通过对引力理论的修正，是不太可能解决哈勃常数面临的困境的，也就是还需要其他方面的调整。

研究人员指出，或许宇宙中还存在着其他的机制。

他们推测，在宇宙大爆炸之后，由于温度太高，质子和电子无法结合为氢原子。

就在这段期间，可能存在着某种特殊的暗物质、暗能量或者原始磁场之类的机制。

当然，也可能是本次利用的数据中存在尚未被人类了解的系统误差，需要修正。

不管怎么说，本次研究向世人证明，利用现有设备在宇宙学距离尺度下验证广义相对论是可行的。

尽管还没有解决哈勃常数的问题，但研究人员已经提出了新的方法，未来随着更多先进的观测设备的问世，或许就会有更加令人兴奋的研究成果出现。

总而言之，目前很多理论在现有的科学发展程度上是可行的，却未必绝对准确，哪怕是广义相对论。

当初牛顿力学被奉若神明，还不是被发现了不适用的情况？或许有一天，广义相对论也会被证明在某些方面存在问题，这对人类来说，将是一件好事。

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