揭秘宇宙未解之谜 宇宙的外面还有宇宙

　　据国外媒体报道，艺术家绘制的多元宇宙模型，我们的宇宙只是其中的一个：科学家发现我们的宇宙可能存在于多元宇宙体系中。

　　在3月17日哈佛史密森天体物理中心科学家宣布的消息中，确认了宇宙大爆炸后原始引力波信号被首次捕捉到，这说明我们的宇宙在刚刚开始后就出现了时空涟漪，暴涨期给了宇宙加速膨胀的速度。

　　这项研究不仅让我们发现了宇宙诞生的种种信息，也印证了我们宇宙是多元宇宙中的一个的想法，该理论认为宇宙是"多元"的，我们所处的宇宙与其他宇宙不同，比如物理定律

　　多元宇宙想象图

　　科学家认为如果存在暴涨期，那么可能意味着多元宇宙是存在：科学家认为暴涨期是神秘的力量，婴儿宇宙从亚原子尺度瞬间暴涨。

　　根据麻省理工学院的理论物理学家阿兰·古思介绍：我们很难建立一个不在暴涨理论基础上的多元宇宙模型，有了暴涨理论，多元宇宙论就开始清晰起来，但其中的机制需要我们进一步研究

　　多元宇宙的存在

　　来自斯坦福大学的理论物理学家安德烈·林德认为，如果暴涨期存在，那么可能意味着多元宇宙是存在，在我们的宇宙之外还存在其他宇宙。

　　或许我们的宇宙从一开始就注定可演化出生命：事实上，多元宇宙可以从概率上解释我们的宇宙为什么如此特别，如果暴涨延迟一些，那么我们的宇宙就不是现在这个样子了

　　可能完全不存在星系，宇宙中是空无一物，许多能导致星系、生命出现的暴涨参数显得如此"巧合"，只要稍微改动就不会得到我们现在的宇宙状态。

因此，科学家认为我们的宇宙拥有一个符合生命诞生的"参数"。

　　闭合、开放与平坦的宇宙模型：那么如何验证呢?

　　这个问题在30年前是无法得到答案的，但是今天科学家能够从宇宙大爆炸遗留下的宇宙微波背景辐射中取得线索，这个辐射形成于大爆炸发生后的38万年，其中隐藏着与宇宙诞生有关的诸多信息。

宇宙微波背景辐射图：在3月17日公布的引力波发现成果上，哈佛史密森天体物理中心的科学家约翰·科瓦奇发现了存在于宇宙微波背景辐射中的引力波信号，就像在大爆炸"海洋"中形成的"波浪"一样，只不过这个波浪不会消失，在此后的138亿年内不断地在宇宙中"荡漾"。

　　宇宙微波背景辐射图

　　如果多元宇宙存在，那么它们之间可能发生碰撞，这些信息会被我们捕捉到：研究人员认为，如果这项发现推出多元宇宙是存在的，那么我们就有可能进一步发现多元宇宙更多的信息。

　　多元宇宙想象图

　　比如它们之间可能会发生碰撞，宇宙微波背景辐射中就会留下碰撞产生的迹象，这也说明宇宙微波背景辐射对于极早期宇宙的研究而言是多么地重要。

　　我们的宇宙充满了星系、恒星等天体，其他宇宙中可能空无一物：理论物理学家安德烈·林德其实是暴涨理论的主要贡献者之一，如果我们已知的宇宙只是一个"泡沫"，那么在宇宙之外还有其他"泡沫"形成，且它们之间存在不稳定的状态，这些信息都会被我们所捕捉到。

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