韦伯望远镜耗资数百亿美元，历时20多年，携带着最精密的仪器和最尖端的设备，被誉为迄今为止人类建造的最昂贵的红外波段太空望远镜。
韦伯望远镜的使命是深入研究宇宙的早期状态，借助光传播的有限速度，我们有望遥望距离遥远的宇宙，回溯百亿年前宇宙的面貌，甚至窥探大爆炸中宇宙的第一缕光，重新探访宇宙的起源。
自韦伯望远镜开始传回数据以来，科学家们忙不迭地对这些数据进行分析，产生了大量的论文和报告。
韦伯望远镜的图像呈现出许多古老的星系，这些星系异常微小且古老，给科学家们带来了巨大的惊喜。
在喜悦之余，一些令人不安的现象也开始浮现。
有一篇发表在《arXiv》上的论文标题以感叹号开头，表现出了天文学家Allison Kirkpatrick的恐慌，她甚至扪心自问："现在我凌晨三点躺在床上，思考我做的一切是否都是错的。
"那么，是什么发现让科学家们陷入如此深度的恐慌，甚至怀疑他们的研究是否完全错误？答案只能是关系到宇宙的根本问题：宇宙的起源，或者说，宇宙大爆炸。
科学界的主流理论告诉我们，宇宙的起源始于大约138亿年前的一次巨大爆炸。
这个时刻，宇宙起源于一个密度和质量无限大、体积无限小的炽热奇点，随之而来的是一场爆炸，释放出巨大的能量。
爆炸产生了密集的中子和电子海洋，随后它们开始向四周扩散。
随着时间的推移，它们的温度逐渐下降，粒子之间相互结合，最终生成了氢原子。
在这个原始的宇宙汤中，恒星和星系开始逐渐形成，最终演化成了我们今天所知的宇宙。
这就是大爆炸理论，是关于宇宙起源的普遍接受的理论。
然而，我们常常忽略了这个理论只是一种假设，而不是已被证实的事实。
大爆炸理论在上世纪20年代初形成，最初并未受到广泛接受。
当时，科学界普遍认为宇宙是静态的，甚至连爱因斯坦也认为如此。
在他的广义相对论中，爱因斯坦引入了宇宙常数，以描述一个静态稳定的宇宙，即宇宙没有开始，也没有终结，一直保持现在的状态。
然而，这一观点在哈勃的发现面前岌岌可危。
埃德温·哈勃通过研究河外星系的视向速度与距离的关系，发现了宇宙的膨胀。
他的研究表明，星系的视向速度与它们离我们的距离成正比。
这就意味着宇宙正在膨胀，而宇宙静态理论不再成立。
爱因斯坦也认识到了自己理论中的错误，摒弃了宇宙常数。
根据膨胀宇宙的观点，倒推时间，宇宙在远古时期应该是越来越小，直到某个时刻，所有的物质都汇聚成了一个点，这一点即为宇宙的起源，被称为宇宙奇点，它标志着时间和空间的诞生。
当韦伯望远镜聚焦在宇宙的深处，探索早期星系时，科学家们看到了一些让他们感到困惑的现象。
科学家们观测到了一个名为GHz2的星系，它距离地球约134亿光年，诞生于大爆炸之后的四亿年。
光子在传播时会逐渐衰减，经过数十亿年的旅程，依然能够被我们观测到。
根据观测数据，GHz2星系的亮度比宇宙中最亮的星系还要高出600倍，物质密度更是高达数千倍。
早期星系中也观测到一些具有规则形状的星系，这些星系拥有光滑的星系盘和明显的螺旋结构。
然而，在早期宇宙中，物质密度相对较高，星系之间的碰撞几乎是不可避免的。
这些规则形状的星系让科学家感到困惑，因为它们似乎在宇宙的早期阶段就已经形成，而不应该在物质更加密集的时期存在。
这些现象引发了一些科学家的猜测，他们认为或许宇宙并没有经历大爆炸。
然而，这一观点在主流科学家中引起了强烈的争议，他们坚信大爆炸理论仍然是解释宇宙起源的最佳理论，并有多种证据支持这一观点。
其中最著名的证据之一就是宇宙微波背景辐射，这是大爆炸后留下的遗迹，是宇宙的早期状态的有力证据。
宇宙发出的第一缕光，随着时间的推移，其波长被拉长，能量逐渐衰减，变成了充斥整个宇宙的微波辐射。
这一辐射被认为是宇宙大爆炸的剩余，证明了宇宙确实经历了一个起源事件。
在宇宙中膨胀的过程中，这些光子保留了原始的特征，为我们提供了观测宇宙早期状态的窗口。
尽管一些新的观测结果引发了关于宇宙起源的新思考，但大爆炸理论仍然被广泛接受。
科学家们将继续使用韦伯望远镜和其他工具来深入研究宇宙的早期状态，以揭开宇宙起源之谜。
无论怎样，宇宙大爆炸理论仍然是我们对宇宙起源的最佳解释之一，至今仍在不断发展和完善。
我们对宇宙的探索之旅还远未结束，未来的研究将继续拓展我们对宇宙起源的理解。
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
