人类探索宇宙的跳板，科学家提出火星地球化改造的极简三步计划？

在人类探索宇宙的征程中，火星一直是备受瞩目的焦点，长久以来，将火星地球化，使其成为适合人类居住的星球，这一想法强烈吸引着科学界与大众的目光。

近期，发表于《自然天文学》杂志的一项研究，为这一宏大目标带来了新的思路。

研究团队认为，通过三个关键步骤，理论上能够将火星改造成宜居星球，这一观点因多个领域的近期突破而备受鼓舞。

“30 年前，火星地球化不仅困难重重，甚至被视为天方夜谭，”Pioneer Labs 首席执行官、该研究的主要作者埃丽卡・德贝内代蒂斯（Erika DeBenedictis）向Space.com表示，“然而，如今诸如 SpaceX 的星际飞船（Starship）以及合成生物学等新技术的涌现，让火星地球化成为了切实可行的设想。

” 尽管埃隆・马斯克旗下 SpaceX 的巨型火箭星际飞船在发展过程中遭遇了多次备受关注的挫折，且距离完善可能仍有很长的路要走，但它的出现本身就为人类探索太空增添了新的希望。

那么，假设人类能够顺利抵达这颗红色星球，究竟该如何将其改造成类似地球的宜居之地呢？

火星科学的最新进展为我们带来了令人振奋的消息。

研究表明，火星上蕴藏着大量的冰，其水量足以在地球 38 亿平方英里的土地上形成一个约 1000 英尺深的海洋。

根据该研究，当火星温度至少升高 30 摄氏度时，这些被冰封的水资源有望开始融化。

并且，火星表面之下似乎还隐藏着地下海洋，若能成功融化表层冰层，或许能与地下海洋相互作用，进一步改变火星的水文环境。

实现火星升温的方法有多种。

研究人员提出，可以利用太阳帆作为巨型镜子，将更多的太阳光聚焦到火星表面，从而增加火星吸收的太阳辐射能量，提升表面温度。

同时，在火星大气中分散气溶胶，能够加速温室效应，进一步促进升温。

此外，采用诸如用二氧化硅气凝胶颗粒覆盖火星表面等技术，也有助于推动局部地区的加热。

研究团队综合各方面因素估计，在本世纪内实现火星升温 30 度是有可能达成的目标。

一旦成功升温，火星上被冰封的古老水资源将被释放，为后续的改造工作奠定基础。

升温之后的第二步，是借助那些能够在极端恶劣环境中生存的微小厌氧生物 —— 极端微生物的力量。

由于火星的低压环境以及剧烈波动的低温条件，普通生物难以存活，因此可能需要对这些极端微生物进行基因工程改造，使其能够适应火星的独特环境，成为改造火星生态的 “先锋物种”。

随着火星温度升高，被冰封的水得以解放，最初形成的水体将是极咸的盐水。

而在地球上，许多微生物具备在这种高盐环境下生存的能力。

一旦这些经过改造或原本就适应极端环境的微生物在火星的盐水环境中站稳脚跟，它们将开始改变火星的化学反应。

微生物通过自身的代谢活动，例如某些微生物可以吸收二氧化碳并释放氧气，或者参与土壤中矿物质的转化等，逐步为后续粮食生产生态系统的建立奠定基础。

这一步是火星从荒芜迈向生机的关键过渡，虽然微生物个体微小，但它们在生态系统的构建中能够发挥不可或缺的 “基石” 作用。

最后一个阶段，也是最为漫长且雄心勃勃的任务，是构建能够支撑各种植物和其他生物生存的火星大气层。

研究作者指出，要实现这一目标，需要创造一个至少 100 毫巴的氧气大气层，这大约是地球海平面平均大气层压力的十分之一。

研究人员推测，初期可以在 100 米高的大型圆顶栖息地中尝试实现这一目标。

在这些相对封闭的栖息地内，可以通过人工控制环境条件，培育植物，利用植物的光合作用来增加氧气含量。

而在栖息地之外，植物的自然传播也会逐渐向火星大气中贡献氧气，但这一过程将极其缓慢，可能需要长达一千年的时间。

为了加速这一进程，研究人员设想从融化的水中释放氧气，然而，目前还需要进一步深入研究，以确定火星上是否拥有足够丰富的相关材料，避免从地球大量进口资源，从而确保这一方案在实际操作中的可行性和可持续性。

一旦火星拥有了足够的氧气大气层，将为更多种类的生物生存创造条件，逐步构建起一个更加复杂和稳定的生态系统。

“从火星探测器返回的数据来看，我们现在知道火星在过去是宜居的，因此火星地球化可以被视作终极的环境恢复挑战，” 该研究的合著者、芝加哥大学副教授埃德温・凯特（Edwin Kite）向Space.com表示。

尽管这一计划为人类改造火星带来了新的希望，但在实践中，仍面临诸多严峻的问题。

一

方面，在技术层面，虽然有了理论上的设想，但诸如星际飞船的可靠性、太阳帆和其他改造设备的实际建造与部署、基因工程改造微生物的安全性等，都需要进一步的研究与验证。

另一方面，从伦理和科学角度来看，火星作为一个独立的星球，有着自身独特的历史和潜在的生态系统。

如果人类对其进行地球化改造，可能会以不可逆的方式改变火星，导致我们失去研究火星原始状态以及行星形成和演化规律的机会。

正如合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室的行星科学家尼娜・兰扎（Nina Lanza）所说：“如果我们决定对火星进行地球化改造，那么我们真的会以可能是也可能不是可逆的方式改变它。

火星是它自己的星球，有自己的历史。

当我们进行地球化改造时，我们实际上就没有机会再研究它了，我们可能会失去关于行星如何形成和演化的知识。

”

目前，这一火星地球化改造计划仍处于推测阶段。

尽管人类在太空探索领域取得了诸多令人期待的进展，但我们至今尚未成功从火星送回一小部分样本，甚至对于我们所设想的最佳火星登陆飞船是否真正适应太空环境，也尚未得到充分验证。

然而，探索宇宙的征程本就是充满未知与挑战的漫长过程，正如人们常说的：一切都来得及。

或许在未来，随着技术的不断进步和人类对宇宙认知的加深，火星地球化的梦想真的能够成为现实，为人类开辟出第二个家园。

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