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宇宙未解三大谜团,持续引发学界及大众热议

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

传言世界上有三大未解谜团,一是人体谜团,二是地球内核谜团,三是宇宙谜团客观来讲,本来这只是某领域的一家之言——毕竟人类的未解谜团岂止有这三个,但是抽其本质可以将其概括成起源谜团,地球结构谜团,以及宇宙演化谜团。

起源谜团

起源谜团可以分成宇宙起源谜团以及人类起源谜团。

①关于宇宙起源,如果翻看现在的科学百科,一起来源于爱因斯坦的相对论横空出世,宇宙学得到了前所未有的进展,标准宇宙的模型被提出,宇宙一切的诞生源于138亿年前的大爆炸。

现在有三个强有力的证据,第1个力证是宇宙微波背景辐射,这是宇宙大爆炸的余温,并且现如今已经被科学家准确探测到,所以是确定性证据,第2个则是氦元素的丰度,这是宇宙大爆炸早期,关于粒子怎么形成的一条论断,现在也被证实,第3个则是宇宙膨胀,这是指天文学家哈勃在观察银河系以及其中行星时,他发现这一切都在远离我们,并且距离越远,远离的速度则越快,证明宇宙正在膨胀。

②人类起源谜团

这三个证据证明了宇宙始于大爆炸,而生命起源的证据本来还没有找到。

但目前最能让人接受的理论应该是海底热泉口,这发生在距今大约4亿年之前,海底热泉口的氢离子定向移动来为自身提供能量,根据RNA世界假说理论,早期生命依靠的是RNA当作遗传物质,但是关于生命以及人类是怎么演变至今,科学界主流依旧是达尔文进化论,同时结合现在所有的DNA手段,科学家们进一步还原了物种进化的古代。

至于人类本身的起源,现在绝大部分重要依托化石当作证据,以及分子物种学的加持,人类旨在进行更长远研究,目前已知最准确的理论是人类属于灵长类物种,距今6,700万年前就已出现,同时躲过了第5次生命大灭绝。

宇宙浩瀚谜团

宇宙又为什么是如此庞大,根据哈勃所观察到的理论,在短时间内宇宙就膨胀到了自身的10×30次方倍,在距今4亿年之前暗能量占据了宇宙的主导,同时由于相反的力,它又使得宇宙开始加速膨胀,那么现在宇宙究竟是多大?

根据主流观点来看,宇宙是无限大的,并且它在一直长大,而人类现今可观测到的一部分则是极小的宇宙。

地球结构谜团

人类对于太阳的了解,本来远远多于对地球内部的了解,毕竟人类对于太阳的观测有很多种,观测的方式也有很多,比如日冕,光波等等,但是对于地球的内部结构,人们用挖也无法确定。

之前写过一篇文章,美国在上世纪只挖到8000多米就放弃了,苏联则是挖到了13,000米,这个孔在学界叫做克拉超声钻孔,但现在如今最深的钻孔也比克拉钻孔多了几十米而已,可是就算是如此深度,和地球半径进行比较,只有1/500而已。

这距离地心还有6000多公里,所以挖的办法是根本行不通的。

但好在地质学方面科学家们利用地震波,通过它在遇到不同中的物质时的变化来猜测地底结构。

现在高中地理教科书上的地质结构,本来就是来源于科学家们利用地震波监测而进行推导。

总结

人类在生活以及探索层面有许多未解谜团,但人类也确实已经知道了许多,倘若能够解开更多的未解谜团,地球人或许会发现对于自然和宇宙了解的更少,因此科学技术的提高刻不容缓。

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