引言:假如要说世界中最神秘的天体是什么,相信很多人都会认为是黑洞。

但除了黑洞之外,世界中还存在许多肉眼可见的神秘天体,例如中子星。
中子星在世界中是一种特别的存在,它不仅具有极高的密度,而且转速还非常快。
世界中存在各式各样的天体,尽管它们在体积、质量、引力等方面都有很大的差异,但也存在类似的地方,那就是都是从小天体开展过来的。
依据世界大爆破理论,一个奇点爆破之后世界逐渐开始构成,在这个过程中大量的气体、尘土等物质也构成了。
最早集合在一起的气体尘土构成了最原始的天体,而且哪一颗天体的密度更大一些它就可以招引更多的世界物质,从而在它的周围构成行星,一个星系就这样构成了。
这种天体的转速达上千转,假如半径再大一些,速度能超光速吗?
作为一个星系的中心天体,恒星起到了非常重要的作用,它经过自身的不断反响为整个星系带去光明和热量,就像咱们的太阳一样。
恒星之所以可以不断地对外宣布能量,是因为绝大多数恒星内部存在核聚变反响。
跟着核聚变反响的不断进行,恒星的反响质料也有被消耗完的那一天,人类称这个时期为“恒星末期”。

恒星末期并非是恒星命运的结尾,它们会经过不同方法演化成其他天体,这取决于它们自身的体积和质量了。
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在恒星的很多演化方法中,有一种十分“耀眼”,它就是超新星爆破。
依据天文学家长时间的观察,超新星爆破可以将太阳外层物质给炸飞,然后只剩一个中心。
很多人以为这个中心的质量比太阳总质量还要小,其实不然,它比太阳质量还要大3.2倍左右。
物理学家奥本海默将3.2倍太阳的质量定义为奥本海默极限,假如超过了这个极限的话那么就无法构成接下来要评论的一种天体——中子星。
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依据科学家对中子星的长时间观测,中子星的直径在20公里左右,可是它们的旋转速度非常快,以至于有人认为中子星的旋转速度超过了光速。
那么存在这种可能性吗?当然不可能,咱们经过核算就可以弄清楚这个问题了。
假如一颗中子星的直径为20公里的话,那么它的周长在63公里左右。
暂且假定中子星一分钟可以转1000圈左右,那么一分钟下来它就能转6万公里左右了,但这种速度怎样也无法和光速比较。

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尽管中子星的旋转速度无法和光速比较,但这一点点不影响它在世界中的位置,它是除了黑洞之外密度最高的星球了。
曾经有科学家对中子星的构成进行了模拟,最后发现它的高密度是有原因的。
原来在恒星变成中子星之前,外界会给中心一股超强的压力,导致中心内部物质的原子结构遭到损坏。
原子核外的电子都被强力压入了原子核内,然后被中和成为中子,中子星的姓名由此得来
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在所有人类发现的中子星中,自转最快的速度已经达到了每秒钟1968转,它间隔银河系只有16万光年。
一般来说,一个天体的赤道线速度是最高的,但这颗中子星的赤道线速度也无法和光速比较,由此看来光速还真是世界中无法逾越的速度了。
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