宇宙第三元素之谜 历史未解之谜

宇宙中最常见的元素第一是氢，第二是愚蠢。

"——哈兰·埃里森

原子间的推动、拖拽、吸引、排斥，原子间的相互结合，由原子形成的分子、离子，以及电子的能量状态——构成了整个世界。

虽然我们看到的宇宙特性是由这些原子的量子、电磁特性，以及它们的成份决定的，中国灵异事件未解之谜，泰坦尼克号的未解之谜，飞机十大未解之谜，我们也有必要了解，宇宙并不是一开始就拥有今天我们所知的所有原材料。

实际上，最初的宇宙十分单调。

物质多样的结构方式，以及作为基本材料的复杂分子，依赖于种类繁多的原子。

我们需要的不仅是大量原子，还需要它们有各种不同的品种，它们原子核内的质子数量要各不相同——这也就是不同元素得以相互区别的根本原因。

我们的躯体需要碳、氮、氧、磷、钙和铁。

地壳是由硅和大量重元素构成的；

要使地核能够产出热量，则需要元素周期表最上端的一系列最重的自然元素——钍、镭、铀，甚至是微量的钚。

宇宙第三元素之谜 但是回到宇宙的极早期，回到人类和生命、太阳系、行星、恒星还未出现的时代，世上所有的一切，只不过是一片炽热的、电离的质子、中子、电子之海。

那时什么元素也没有，也没有原子和原子核——宇宙太热了，以致于这些东西全都无法凝聚在一起。

只有随着宇宙的逐渐膨胀和冷却，稳定的物质才得以出现。

随着时间慢慢流逝，第一种原子核开始聚合，氢及其同位素出现了，随后是氦及其同位素，以及微量的锂和铍。

铍通过衰变也变成了锂。

这个宇宙，以原子核的数量来统计，大约包含92%的氢、8%的氦和0.00000001%的锂；

如果用质量来统计，则包含约75-76%的氢，24-25%的氦和0.00000007%的锂。

不管用哪种方式，都可以看出，那时的宇宙几乎全是氢和氦。

而排在第三位的是锂。

几十万年后，宇宙的温度降低到了足以使中性的原子得以形成；

几千万年后，引力的坍缩又引发了恒星的出现。

恒星内核中的核聚变，不但照亮了宇宙，还为宇宙提供了更重的元素。

第一颗恒星诞生之时，大约是宇宙大爆炸后5000万至1亿年，那时大量的氢开始聚变为氦。

但是这些最为巨大的恒星（质量大约是太阳的8倍以上）消耗速度非常快，大约只能存在几百万年。

一旦氢燃料耗尽，恒星的氦核开始收缩。

三个氦原子核开始聚变为一个碳原子核。

整个宇宙中这类巨星的数量大约只有一万亿（10^12）（在首个一亿年中，宇宙中大约出现了10^22颗恒星）。

此时，原本排位第三的锂开始被其它元素超过。

那么此后排在第三的元素是否会是碳？ 因为这样的聚变存在于恒星内部洋葱一样的结构层内。

氦变成碳，随后在更高的温度下，碳聚变成氧，氧聚变成硅和硫，硅最终变成铁。

最终，铁无法继续聚变，恒星内爆，把自己变成超新星。

超新星把恒星内部的氢、氦、碳、氧、硅和所有通过非核聚变反应过程产生的重元素奉献给了宇宙。

百慕大三角未解之谜，世界未解之谜金字塔，自然界的未解之谜，泰坦尼克号未解之谜，这些过程如慢中子俘获；

氦原子核和其它较重元素的聚变（产生了氖、镁、氩、钙等等）；

以及快中子俘获（产生了铀等重元素）。

恒星不只有一代，今天的恒星并非由原初的氢氦构成，而是许多前辈恒星的后代。

这一点非常重要，因为若非如此，宇宙中就不会出现岩石行星，仅有的都会是由氢氦构成的气体巨人。

在几十亿年中，恒星经历了一代代的生死轮回，它们的成份也越来越复杂多样。

现在，大质量恒星内核中发生的聚变不是简单的由氢变氦，而是出现了一种被称碳-氮-氧循环的方式，通过这种方式，恒星积累了越来越多的碳、氧和氮。

在这种聚变方式中，当氦聚变为碳时，极易因为获得一个额外的氦原子而变成氧（氧又会因为获得另一个氦原子而变成氖）。

我们的太阳在到达红巨星阶段时也可能会发生类似的事情。

宇宙第三元素之谜 ▲太阳（右上角最小的）、变成红巨星后的太阳（右上角太阳下方，与橙巨星大角类似）和红超巨星心宿二（最大的那个）的比较 因此在碳成为季军的半路上，杀出了个程咬金。

当质量足够大的恒星开始碳聚变时，碳几乎会全部转变成氧。

当恒星爆发时，氧的含量会比碳多得多。

如果我们对超新星遗迹和行星状星云进行观察，就会发现那里氧的含量都要明显高于碳。

而且也没有任何一种重元素的含量能够超过氧。

因此，在当今的宇宙中，氢和氦的含量排在第一和第二。

排在第三的是氧，随后是碳、氖、氮、镁、硅和铁，硫排在第十。

那么未来呢？ 在很长一段时期内，在宇宙的年龄至少达到当前的数千甚至数百万倍前，宇宙中的恒星仍将不断地形成，直到它们的燃料全被抛入星系际空间，或被完全耗尽。

那时，氦有可能将取代氢，成为宇宙中含量第一的元素；

但如果宇宙中隔离的、未被消耗的氢足够多，氢的含量仍会排在第一。

在极其遥远的未来，由于未被抛出星系的物质，德中护理协会http://www.cha39.com,健康http://灵异故事/,会被反复地利用进行聚变，911未解之谜，世界三大未解之谜，世界500未解之谜，世界未解之谜飞机，碳和氧的含量可能会超过氦；

今天排名第三和第四的元素，也许有一天会登上冠军和亚军的宝座。

宇宙第三元素之谜 ▲很久以后将合并成一颗恒星的两颗褐矮星。

这类天体在经历了足够长的时间后，最终会触发核聚变 我们无法下确切的定论，因为宇宙一直在变化。

今天，氧是宇宙中含量第三的元素，但在极其遥远的未来，排名有可能上升，氢和氦的含量也有可能会下跌。

别忘了那些逝去的恒星，我们呼吸的氧，都是由它们提供的。

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