地球是人们所处的家园,每天人们都可以感受到它的自转和公转带来的变化,但是人们是否意识到,地球只是宇宙中微小的一部分,宇宙中的天体系统运动的规律和秩序才是真正的主导者。

在宇宙中,天体的运动是多层次、复杂而又有规律的,从个体的行星到整个宇宙的巨型黑洞,都有着各自独特的运动轨迹和影响。
人类只是地球飞船上的短暂旅客,依托着科技和智慧,驾驶着这艘飞船在宇宙中前行。
太阳系是人们所在的行星系,太阳是它的中心,行星、卫星、小行星以及彗星都围绕着太阳运动。
地球自转速度为465米/秒,而围绕太阳公转的速度则高达30千米/秒,每365天绕太阳一圈。
这是因为太阳的质量足够大,引力也足够强,才能够让周围的行星体系围绕着它旋转。
太阳系所处的位置是在银河系的猎户座旋臂,所有天体都在沿着规律的轨道不断旋转移动,包括太阳系在内。

每2.25亿年到2.5亿年,太阳系围绕银河系一圈,速度高达240千米/秒。
这就好像在一个固定在太阳系外的框架上,太阳系和其他天体都在空间中沿着不同的轨道不断飞驰。
而地球作为太阳系的一员,也随太阳系一同沿着这个轨道旋转,速度是高得让人们无从感知的。
银河系中心有一个巨型黑洞——人马座A*,它足以容纳数百万太阳的质量,是银河系的"司机",驱动着数千亿颗恒星及其相应的行星系统向宇宙深处前进。
所有天体都在沿着规律的轨道不断旋转移动,而它们又被更高层次的宇宙系统所裹挟。
宇宙中的天体系统相互牵引、制约、影响,形成了一种有规律的宇宙秩序。
人类文明是地球飞船上的乘客,驾驭着地球在宇宙中飞行。

从史前时期到现代,人类一直在探索这个神奇的世界,认知和探索地球和宇宙,这些过程伴随着科技的进步和人类心智的升华而发生着翻天覆地的变化。
人们必须意识到,整个进程不能见缝插针,必须十分小心谨慎,地球飞船本身就是受到其他行星体系的限制和影响的。
人类文明在这个从微观粒子到宏观宇宙都处于不停运动的宇宙中能够稳定存续至今,只是因为人们现代所掌握的科技和智慧让人们能够更好地理解和适应宇宙中的规律和秩序。
同时,人们也需要保护和维护地球这个唯一的家园,避免过度开采和破坏环境,保持生态平衡,才能够让地球飞船在宇宙中稳定前行。
地球飞船中的运动之谜是宇宙中无穷无尽的奥秘之一,人们需要不断地探索和学习,以更好地理解和适应宇宙中的规律和秩序,让人们的文明得以持续发展和进步。
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