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宇宙大爆炸震荡:超级引力波现神秘属性

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

据国外媒体报道,天文学家研究产生的引力波时认为:在现实宇宙中,一个超大质量的天体并不会产生引力波,然而,一个相互运动的双星系统则就会产生引力能量的动态变化,这种变化就可能在地球上就能探测的到。

引力波的一些属性和光类似,比如在真空中都是以光速进行传播,还有确定的频率和振幅。

而其与光不同的地方是,引力波并不会发生散射现象或者被物质所吸收。

正是由于这个不同的属性,家们推测宇宙中最原始的引力波产生于宇宙大爆炸,这个原始的引力波仍然在宇宙空间中"回荡",有待于进一步的监测和分析。

目前,天文学家已经间接地探测到引力波的存在。

主要是通过观测一个由脉冲星构成的双星系统,其编号为PSR1913+16。

科学家发现这颗脉冲星的轨道出现衰减,每相互旋转一圈衰减达到3毫米,而这种轨道的衰减,就是一种能量的损失,天文学家推测其能量的损失是由于引力波将双星系统中的能量给耗散出去了。

而直接探测到引力波,基于目前的技术水平还是有些困难的,引力波抵达地球时已经是极为微弱了,所以需要灵敏度非常高的监测设别。

目前,天文学家已经在美国路易斯安娜州和华盛顿州架设了引力波探测的干涉仪LIGO,其是目前世界上灵敏度最高的也是最大的引力波监测站,理论上可以探测来自宇宙深处的引力波信号,但是这种信号非常的微弱,而且还夹杂着地球上的干扰,因而这个最大引力波天线还需要进一步升级。

来自遥远宇宙深处的引力波会在宇宙空间中进行"能量传递"。

举个例子:当引力波接近地球,然后"撞击"地球,这个情景就像一个孤岛任凭海浪的拍打一样,地球就像宇宙中的孤岛,在引力波的冲击下"摇晃"。

而科学家就是要监测这样摇晃所造成的几何形状的微小的变化。

由于引力波类似波浪冲击的作用,可以使宇宙空间中的时空产生拉伸和收缩,这也是其能量传递的机制。

与此同时,天文学家也认为引力波与宇宙间物质的相互作用的影响不大,且在真空中以光速进行传播。

但是,引力波随着传播的距离的增大会出现能量损失,会出现衰减。

这就类似水波的原理,当我们在池塘中投入一块石头,荡起的水波随着扩散面积的扩大出现衰减。

引力波另一个特性是其随着传播距离的扩大,也可能出现频率上的下降,也就是其波长变长。

这是由于宇宙空间的加速膨胀,在一定程度上作用着引力波的行为,进而使引力波出现属性上的变化,而这其中的机制还是个。

鉴于引力波的种种特殊的性质,目前科学家还不能一一进行解读,而对来自宇宙深处并经过地球的引力波,科学家试图进行更加精确的探测,这就需要极其灵敏的探测仪,而且还必须将引力波从宇宙背景等噪声中分离出来,这对检测和测量等具体工作来说是一个巨大的挑战。

对于引力波探测LIGO干涉仪而言,来自地球的背景噪声同样是个棘手的问题,比如地震噪声、仪器噪声(温度变化影响探测设备的校准)和量子水平的噪声,而量子水平的噪声又称为约翰逊奈奎斯特噪声,即热噪声,其原因来自量子不确定性。

目前,引力波研究和理论方面最有名望的科学家是基普索恩(Kip Thorne),其通过使用量子非破坏性测量的方法解决了引力波中可能是最后或者是最棘手的一个作用效应,这个方法主要体现在:在进行量子测量的时候,获得全部的信息就会导致完全脱散的情况出现,如果通过量子非破坏性测量,可以使脱散程度下降,或者说可以测量一个东西,却不破坏它,也就是不使其波函数坍缩。

要将量子非破坏性测量应用到测量极其微弱的引力波上,还需要进行一些调整,因为引力波是一种小振幅且低频的信号,极不容易探测。

而正是由于引力波是超低频的,所以其波长可以非常地长,我们知道无线电波波长一般在3米,可见光起于390纳米,而引力波的波长随着不同的宇宙事件会对应不同波长。

比如,一颗超新星爆炸产生的引力波一般为300公里,由黑洞构成的双星系统产生的引力波为30万公里,而宇宙大爆炸产生引力波波长可达30亿光年。

所以,对于引力波的探测,不仅要有极为灵敏的仪器,还需要理论上的支持,否则,对收集到的数据也很难进行分析

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