首页 > 宇宙

人类拥有智慧,但我们甚至不了解宇宙最根本的东西!

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

我们有纳米机器人在我们的身体里游泳,并监测我们的重要器官。

我们有与人类医生一起执行复杂手术的自主机器人。

有探测器在火星表面上行驶,当你读到这篇文章时,人类正在宇宙中高速行进。

在很多方面,我们似乎生活在未来。

在尼尔·德格拉斯·泰森眼里,我们看起来就像婴儿一样,试图用拳头抓住阳光。

在迪拜举行的2018年世界政府首脑会议上,泰森向欣喜若狂的听众作了演讲。

在他的演讲之后,他花时间讨论了人类在许多方面是如何完全无知的。

根据泰森的说法,这里有三件事显示了我们要走多远:

暗物质。

我们宇宙的一部分不见了。

事实上是相当大的一部分。

科学家们估计,我们宇宙中只有不到5%的物质是由普通物质(质子、中子、电子和所有构成我们身体、行星和我们所见过或接触过的东西)组成的。

我们宇宙中剩下的事情?我们不知道是什么。

“暗物质是现代天体物理学中存在时间最长的未解决问题,”泰森说。

他接着说:“它已经和我们在一起已经八十年了,现在是我们找到解决办法的时候了。

”然而,我们并不完全接近真相。

这个问题源于暗物质不与电磁辐射(也称光)相互作用的事实。

我们只能观察它,因为它的引力影响--比如说,一个星系比它所应该的速度更慢或更快地旋转。

然而,有一些正在进行的实验试图探测暗物质,如SNOlab和ADMX,因此答案可能即将出现。

暗能量。

暗能量也许是有史以来最有趣的科学发现之一。

这是因为它可能掌握着我们宇宙最终命运的钥匙。

泰森将其解释为“在宇宙真空中的压力迫使宇宙膨胀加速。

”这听起来令人困惑吗?这可能是因为它。

如果你不知道,所有的空间都在膨胀--星系之间的空间,地球和太阳之间的空间,眼睛和电脑屏幕之间的空间。

当然,这种扩展是很小的。

它是如此之小,以至于当我们在地球观察太阳系时,我们甚至没有注意到它。

但在宇宙范围内,它的影响是深远的。

由于太空如此广阔,数十亿光年的空间正在膨胀,导致许多星系以难以想象的速度离开我们。

如果这一飞行继续下去,最终宇宙将只是一片冰冷而黑暗虚空。

如果它逆转了,宇宙就会在大坍缩中崩溃。

不幸的是,我们完全不知道会发生什么,因为我们不知道什么是暗能量。

自然发生说。

我们对生命是如何在地球上进化的非常了解。

大约三十五亿年前,最早的生命形式出现了。

这些单细胞生物在我们的星球上统治了数十亿年。

大约在六亿多年前,第一批多细胞生物开始产生。

寒武纪生命大爆发,化石记录诞生了。

就在五亿年前,植物开始登陆,动物们很快就跟着到来了。

然而,泰森很快就指出,我们不理解进化中最重要的部分--开始。

泰森说:“我们仍然不知道我们是如何从有机分子走向自我复制的生命。

”他指出,这是多么不幸,因为“这基本上是我们所知道的生命的起源。

”这一过程称为自然发生。

用非科学术语来说,它涉及生命是如何从非生命物质中产生的。

虽然我们有很多关于这个过程的假设,但是我们没有一个全面的理解或者任何证据来支持这个过程。

就在这里。

宇宙中最大的谜团恰好是一些最重要和最基本的东西。

那么,我们什么时候才能最终解决这些科学难题,走出我们的婴儿期呢?泰森拒绝做这样的预测。

如果说他知道一件事,那就是人类所知道的非常少:“我不太擅长预测未来,我也观察过别人的预测,看到那些人说“我很好”的情况有多糟糕。

所以我可以告诉你们我想要发生什么,但这与我认为会发生的事情不同。

”

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