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宇宙加速膨胀是如何被发现的?膨胀的原动力是什么?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

了解宇宙大爆炸理论的伙伴们一定知道,我们的宇宙一直在不断膨胀中。

或许宇宙大爆炸理论最终被证实是错误的理解,但宇宙膨胀却是现实存在的,科学家们确实发现了宇宙一直在膨胀,而且在一百年前的20世纪20年代就已经发现了。

在上世纪20年代,著名物理学家哈勃通过天文望远镜观察遥远星系运行的时候,偶然发现星系正在快速远离地球,这是宇宙膨胀的一个有力的证据。

那么哈勃是如何确定遥远星系在快速远离地球的呢?根据一个著名的效应:多普勒效应。

先举个简单的例子。

很多人都坐过火车,火车快要进站时会鸣笛,在鸣笛时,细心的伙伴们可能就会注意到,火车的鸣笛声会非常尖锐。

而当火车驶离站台时,火车的鸣笛声会变得非常低沉。

同样的鸣笛,我们听起来为何有如此大的差异呢?

这是因为火车在驶向我们时,声音频率会变高(波长变短),因此听起来非常尖锐。

当火车驶离我们时,声音频率会变低,就会变得比较低沉。

实际上这就是“多普勒效应”的一种体现。

同样地,光波也具有这种特性,当光源不断靠近我们,光的波长就会变短(频率变高),发生蓝移。

当光源远离我们,光的波长就会变长(频率变低),发生红移。

而哈勃在观察遥远星系时,观测到遥远星系发出的光发生了红移,这表明星系正在远离地球。

而且远离的速度越来越快,著名的“哈勃定律”也因此被提出来。

哈勃的发现震惊了物理学界,因为在人们传统观念里,我们的宇宙应该是静态的,但哈勃发现的红移现象彻底打破了人们的传统认知,表明了宇宙一直在膨胀中。

那么既然宇宙在膨胀,为何我们感觉不到宇宙的膨胀呢?这很好理解,举个例子,我们都知道地球是圆的,但为何我们看到的地面是平的呢?

我们生活的空间太狭小了,这也造成了很多认知上的局限性。

宇宙的膨胀体现在更大的宏观尺度上,这种尺度比太阳系还要大,通常情况下,是以星系为前提的。

科学家们还预测,随着宇宙膨胀不断加剧,膨胀的尺度也会从星系逐渐缩小,以至于到后来太阳系也会发生明显的膨胀,接下来是行星,我们人体,甚至分子,原子也会发生膨胀,最终被彻底撕裂,那时候就宣告宇宙的死亡。

那么,宇宙为什么会膨胀呢?

科学界的主流认识是,一种叫做“暗能量”的东西主宰着宇宙的膨胀,科学家并不太了解暗能量,否则就不会叫这个名字了。

从目前的探索发现来看,暗能量更像是一种不断衍生出来的虚空能量,这种虚空状态让星系远离彼此,加剧了宇宙的膨胀。

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