我们都知道,宇宙中存在“光速限制”,最大速度为光速。

那么宇宙为什么要限制光速,不限制不行吗?
确实不行,因为光速与四维时空息息相关,是四维时空的固有属性。
光速与时间和空间,也就是“时空”结构密不可分。
说白了,限制光速的其实就是四维时空,也就是时间和空间。
简单讲,速度可以让时间变慢,而光速会让时间停止。
如果超过光速,时间就会倒退,这是大自然所不允许的。
要理解光速和时间的这种关系,我们需要了解非常重要的一点:我们所在的四维时空是相对的,速度会影响时间的流逝,严格来讲,地球上的每个人对时间的感受都是不一样的。
当然,除了速度之外,引力同样会影响时间,这里就不展开讨论了,只讨论速度对时间的影响。
举个例子:你乘坐一艘飞船飞向一光年外的星球,飞船的速度无限接近光速。
你所在的时空与外部观察者的时空就会完全不同,你们所在的时空都是独立的,事实上每个人的时空都是独立的,只是只有速度非常接近光速才能感受到这种独立性。
于是,在观察者眼里,你需要飞行一年才能到达目的地。
但是对于你来讲,根本不用一年,只需要几分钟甚至几秒钟就能到达一光年外的星球,只要你速度足够接近光速,可以瞬间到达。
而在牛顿经典力学体系下,时空绝对的,任何人对时间的感受都是一样的。
但是爱因斯坦的狭义相对论告诉我们,绝对时空观是错的。
为什么我们不能感受到时空的相对性呢?原因很简单,因为我们生活中经历的速度与光速相比太慢了,速度对时间的影响微乎其微,可以忽略不计。
所以直觉就会告诉我们:每个人的时间都是一样的。
对于上面的例子,可能你会有这样的疑问:
一光年的距离,不就是光飞行一年的距离吗?怎么可能瞬间就到达一光年外的星球呢?
所谓的“一年”,只是地球上的我们眼里的一年,是以地球为参照系算出来的一年。
而接近光速飞行的你,完全处于另一套参照系,感受到的时空与地球时空完全不同,当然不能用地球时间去衡量了。
接近光速飞行的你,不但时间会变慢,距离也会缩短,而且两者是同时发生的。
因为时间和空间是有机的整体,所以时间变慢和尺缩效应必须同时出现。

如果时间上不是很好理解,用尺缩效应就更好理解了。
当你以无限接近光速的速度飞行时,一光年的距离在你眼里会缩短到“近在咫尺”,你甚至只需要一抬脚就能到达。
当你的速度无限接近光速时,你甚至都无法度过你的一生。
为什么?
因为在外部观察者眼里,你的时间几乎停止,你经历的短短一秒钟,外部世界可能已经过去了成千上万年时间。
所以,你还没来得及度过你的一生,整个宇宙都已经毁灭了!
所以,如果光子有人类那样的意识的话,它根本感觉不到时间,因为光子眼里没有时间概念,没有过去和未来,只有现在。
在我们眼里,光子的时间就是“暂停”的!
你可能还有疑问:我们不是经常说“太阳光到达地球需要大约8分钟时间吗?”
上面其实已经回答这样的问题了,所谓的“8分钟”是以地球为参照系计算出来的,也就是说,在人类眼里,太阳光到达地球需要8分钟。
其实这就是简单的时间计算,用距离除以光速得出来的结果。
而对于太阳光来讲,它到达地球不需要任何时间,瞬间到达。
不要说到达地球了,光子甚至可以瞬间穿越整个宇宙!
所以,理论上,只要速度能无限接近光速,你就有机会看到宇宙的末日。
可能你飞行一天,地球就毁灭了。
飞行十天,银河系也毁灭了。
然后继续飞行一个月,宇宙也彻底毁灭!
速度可以让时间变慢,但同时我们也可以说“速度也可以让时间快进”。
前者是对于自身而言,后者是相对外部观察者而言!
开头也说了,速度的这种特性与四维时空息息相关,所以宇宙万物的存在,离不开四维时空。
而四维时空限制了速度,速度的最大值就是光速,所以我们不能回到过去,只能不断地前往未来。
速度可以让时间变慢,而光速可以让时间暂停!
时间暂停了,意味着哪怕在遥远的距离,你都可以瞬间到达。
比如说,光速飞行的你,可以瞬间穿越整个宇宙,不需要花费任何时间。
明白了光速和时间的这种关系,还有必要了解一下有关参照系的困惑。

虽然我们生活的时空是相对的,但由于我们平时经历的速度和引力都很小,所以我们并不能感受到时空的相对性,日常生活经验告诉我们:时空还是绝对的。
比如说你感受到的一秒,与我感受到的一秒并不会有什么不同。
其实我们两人对一秒的感受确实有些许的差异,只不过这种差异实在太小了,我们根本感觉不到,也不会对我们日常生活有任何影响。
不过一旦速度来到亚光速,这种差异就会变得非常大,这时候就必须考虑到差异可能对我们日常生活的影响了!
事实上,这种情况早就出现在了我们日常生活中,就在你我身边,这就是:卫星导航系统。
我们平时开车时使用的导航,需要卫星来定位。
由于天上的卫星速度很快,时间就会变慢。
虽然卫星的速度与光速相比还是很慢,但日积月累对时间的影响就非常明显了。
再加上导航系统对精确度的要求非常高,任何微小的差异都可能把我们导航到“沟里”去,所以必须充分考虑到卫星由于速度快导致的时间变慢,人为地对卫星上的时钟进行校正,否则导航系统会彻底失效。
通过计算可以得出,卫星上的一秒要比地面上的一秒慢一千亿分之八秒,看起来微不足道,但就是这微不足道的一千亿分之八秒,就可能让导航系统误差很大。
当然,对卫星上的时钟进行校正时,除了速度之外,还需要考虑到引力对时间的影响,双重考虑才能让导航正常工作。
总之就是,四维时空里,光速就是最快的速度。
理论上分析,如果你想超越光速,只需要脱离四维时空就可以做到了,比如说更高维度的时空里,你可以随意超越光速,甚至那里的最低速度就是光速,你必须以超光速飞行才可以。
但问题就在于:你本身就是四维时空的一部分,就是四维时空的产物,脱离了四维时空的你,还是“你”自己吗?
最后还有一个问题:有质量的物体的速度为什么不能达到光速?
根据爱因斯坦狭义相对论中的质增效应,物体的质量会随着速度的增加而变大。
当物体的速度无限接近光速时,物体的质量就达到无穷大。
无穷大的质量意味着什么?
意味着物体周围的时空早就坍缩为黑洞了。
而黑洞吞噬一切物体,相当于物体掉进黑洞里了,无论如何都出不来了。
不得不承认,大自然如此巧妙地限制万物达到或超越光速,就好像背后有一只无形的手在操控一切,一切都好像是完美的设计......
到底是谁设计的?
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