生命原本就是一个奇特的东西，宇宙之大，存在的生物千千万万，数不胜数，宇宙的起源也成为人们好奇的一大问题，宇宙的起源是什么，世界终止于何时，都等待着我们去发掘。
下面我们来挖掘宇宙的起源。
1964年，美国新泽西州贝尔实验室的一对工程师在试图建造更好的天线时意外发现了宇宙的起源。
在排除城市噪音、核弹和鸽子的粪便后，这两名工程师，阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)称他们的读数里奇怪的无线电嘶嘶声是第一个被证实的宇宙微波背景辐射(CMB)信号。
这种余光产生于宇宙大爆炸之后，现在渗透了整个宇宙。
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这项发现进一步加固了宇宙大爆炸理论作为宇宙起源的最好解释，而彭齐亚斯和威尔森也因此得到了诺贝尔奖。
现在50多年过去了，CMB帮助我们了解了宇宙的年龄、形状和组成部分，以及它是如何进化的细节。
但是随着每一项发现，CMB都提出了新的更令人费解的问题。
以下是宇宙大爆炸研究引发的最令人苦恼的六大谜题。
1、为什么早期宇宙如此光滑
最初，CMB的地图让人不敢相信是真的。
宇宙大爆炸之后，物质应该四处散落形成随机的团状物。
但是CMB显示出宇宙竟不可思议的统一，似乎在宇宙早期膨胀过程中，这些遥远的区域一直彼此接触。
20世纪80年代，物理学家提出了一个设想，也即宇宙大爆炸后宇宙经历了一个膨胀的时期——这个理论被称为膨胀理论。
CMB的最新地图证实了该理论模型的某些预测，但并非所有的预测。
即使这个理论是正确的，我们仍然不知道什么引起了膨胀，它是何时开始的以及为何结束。
我们可能很快会有答案。
膨胀引发了时空织布里的涟漪，后者被称为引力波，这些引力波的信号特征将出现在未来更高分辨率的CMB地图里，美国马萨诸塞州州坎布里奇哈佛-史密松天体物理中心的艾维·劳埃伯(Avi Loeb)这样说道。
"利用其它方式产生这些引力波并非易事。
"
2、大爆炸之前有其它事物吗
膨胀轻易的抹去了快速膨胀期之前的任何记录，因此我们通过观测天空无法回答这个问题。
此外，由于宇宙最初非常炙热和密集，因此我们用于描述宇宙膨胀和进化的方程式并不适用。
将这些方程式与量子力学相结合的理论或可以对宇宙大爆炸之前存在的事物进行数学预测，虽然这一理论仍难以捉摸。
当然，这并没有阻止人们利用CMB推测跳跃宇宙——也即陷入无限的膨胀和收缩循环——或者多重宇宙存在的可能性。
3、古代生命是否可能出现在大爆炸的余光里
CMB的光来自于充满宇宙的过热气体或等离子体。
这些物质随着时间的推移逐渐冷却下来，产生了恒星和星系。
而现在我们知道，距离宿主恒星太遥远的行星因过于寒冷而不适合生命的存在。
但是CMB的温度指数暗示着宇宙大爆炸之后1500万年，余光将足够温暖从而导致整个宇宙变成一个巨大的生命友好区。
这个时期持续了几百万年，足以让微生物而非复杂生命体出现，劳埃伯暗示道。
4、什么是暗物质和暗能量
早在1964年天文学家就已经知道宇宙的某些区域存在比我们能看见的更多的物质：基于我们对引力的最好理解，星系群里星系沿着自身轴线旋转的速率比在不分崩离析的前提下星系的可见物质允许星系旋转的速率要快得多。
CMB显示不可见的暗物质组成了宇宙里所有物质的80%。
但我们仍然不知道这种神秘物质是由什么组成的，或者它是否会出现在基于太空的实验或者地下探测器里。
同时，1998年进行的超新星研究揭示了自大爆炸起宇宙不仅在膨胀，膨胀的速率还在不断加速。
这种效应归因于一种名为暗能量的奇特力量，CMB显示它组成了宇宙里一切事物的68%。
此外，暗能量还是物理学里最神秘的的力量之一。
5、宇宙的最终命运是什么
对CMB的研究帮助我们追踪了暗能量的行为，最终将为我们提供宇宙可能的最终命运的信息。
如果暗能量的强度仍然稳定增加，那么宇宙可能会在一场大撕裂里分崩离析。
然而，如果暗能量增加继而又减少，那么某些结构可能会从垂死的宇宙灰烬里重新生长出来。
如果暗能量保持在现在观测到的速率水平，那么宇宙可能会永远膨胀并最终陷入黑暗和寒冷。
6、大爆炸是否是个无法测试的理论
如果这种稳定的膨胀持续时间足够长，那么CMB的单一波长可能会拉伸至和宇宙本身一样大。
这意味着万亿年之后存在的人类将根本无法检测到CMB，劳埃伯说道。
"我们对宇宙学研究的意义将完全丧失，因为我们将无法从天空里发现任何宇宙大爆炸的痕迹。
" 劳埃伯表示。
"在未来我们将形成一整套大爆炸理论，但我们却无法证实它。
那么宇宙学是否会变成宗教?至少在未来万亿年，我们还无需担心这个问题。
"
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
