人类文明经过上万年的努力发展,终于在数百年前走上了科学之路。

而科学的到来也为人类插上了飞翔的翅膀,可以让我们站在更高的位置,观察这个世界的本质,观察万物的本质。
而在科学的道路上,有许多的科学法则,科学理论,人类要做的就是去挖掘出这些科学理论,让它们为人类服务。
在科学的殿堂里,物理学无疑是非常重要的,也是我们揭开世界真相的一把钥匙,而在物理学的探索道路上,有一位科学家最早给我们指明了探索方向,他就是牛顿。
牛顿在科学道路上的成就是伟大的,他最早开创了经典物理学,提出了经典力学理论,为后来的科学探索奠定了基础,指明了方向。
他对人类做出的突出贡献,让他成为一位伟大的科学家,而他的经典力学理论也统治了2个多世纪,直到爱因斯坦的出现才有了新的方向。
牛顿的万有引力定律在我们研究万物,研究宇宙的一个重要自然法则。
在牛顿看来,虽然我们发现了引力支配着天体的运动,但是我们却不知道天体最初是如何运动起来的,而在这一切的背后必然有一双无形的双在推动,那个时候人们称之为“上帝”。
在牛顿之后,又出现了一些伟大的物理学家,他们继承了牛顿的经典物理学,沿着这条道路继续前进,为人类又做出了不少的贡献,这些物理学家完善了经典物理学,建立起一座宏伟的物理大厦。
那个时候的人们认为物理学的发展可能已经走到尽头,后面的工作也只是进行一些修补。
可是科学的探索道路就是这么神奇,当人们认为物理学已经发展到尽头的时候,一位更伟大的科学家出现了,他就是爱因斯坦。
爱因斯坦提出了伟大的相对论,打破了牛顿长达200多年来确立的绝对时空观。
牛顿的经典物理学并不是万能的,它有一个适应范围,那就是在低速和弱引力场的情况之下。
由于我们正常情况下,很难道真正实现亚光速,所以我们才会觉得经典物理学完全适用,它似乎到达了一个极限。
可是随着科学的不断发展,有科学家开始怀疑经典物理学,而且通过一些实验现象也的确违背了经典物理学。

所以爱因斯坦根据一些研究和发现,提出了划时代的相对论,相对论自然也包含经典物理学,只不过它的适用范围更广泛。
在低速,弱引力场的前提下,经典物理学可以很好地描述应用,可是在调整,强弱力场的前提下,经典物理学就会失效,这个时候只有相对论能够对此进行描述。
通过这些了解,我们也可以看出,宇宙的本质远没有我们想象的那么简单,人类接触到的只不过是冰山一角,还有更多的谜团是我们不知道的。
尤其是随着量子力学的出现,更是颠覆了我们对宇宙的认知。
这个世界的真相可以分为宏观和微观,宏观层面的自然法则我们可以用经典物理学,相对论来进行一些解释,可是在微观世界里,经典物理学基本已经失去了作用,即使是相对论也很难真正用来描述解释量子力学中的一些现象。
爱因斯坦称量子力学为“鬼魅”,很多的现象都无法用宏观理论的科学体系来进行解释。
在量子力学中存在着许多反直觉,颠覆宏观理论的鬼魅现象,其中有一个非常著名的简单实验更好地说明了这种颠覆认知的现象。
这个实验就是我们在高中时期就做过的电子双缝实验。
对于电子双缝实验,相信很多小伙伴都知道,我们在上高中的时候,老师就给我们做过。
在实验中,我们让大量的电子穿过两条细缝,这个时候后面的屏幕上并不会得到与两条细缝相对应的图案,而是得到一些明暗相间的干涉条纹。
这样的现象我们无法用牛顿的经典物理学来解释 ,该实验告诉我们,电子也是具备波的特性,在穿过双缝的时候会发生干涉。
即使我们让电子一个接一个单独通过细缝,同样会在后面出现干涉条纹,这说明电子是能够与自身产生干涉。
这样的结果还不是让科学家感到颠覆的现象,真正让科学家感到惊讶的是后面的实验。
科学家为了更好地观察记录电子通过双缝的情况,在双缝旁边放置了监视器。
可结果却是干涉条纹消失了,只留下了与两条细缝相对应的图案。

这样神奇的现象让科学家感到惊讶,我们对电子的主动观测改变了它们的行为,电子仿佛有意识一样,知道自己被观测了。
后来又进行了更复杂的惠勒延迟选择实验,得到了两样的结果,由此可见,观测者的行为能够反过来决定过去发生的事情,这严重违背了我们所认知的因果定律。
而神奇的量子力学现象也让不少的人们思考:难道科学的尽头是神学?对于神学相信大家都知道,它在人类文明史上,统治了很长的时间,即使是走进工业革命,开启科学道路之后的很长一段时间内,神学仍然占据着主导。
相信很多朋友都知道,牛顿在晚年的时候去研究神学,结果一无所获,可能很多人不明白:为什么如此伟大的科学家会去研究神学?有人说是牛顿发现了这个世界的真相,可事实上,牛顿在晚年研究神学完全是受到因时时代背景的影响所致。
要知道在牛顿生活的17,18世纪,是教会占据主导地位的年代。
那个时候科学家研究宇宙的奥秘其实也为了验证上帝的存在,在这种背景下,牛顿也不能免俗,同样在晚年的时候加入了神学研究队伍。
而至于爱因斯坦研究神学,那跟牛顿是完全不一样的。
爱因斯坦是纯粹的无神论者,他只相信宇宙真正,不相信虚幻缥缈的上帝。
而爱因斯坦晚年研究的神学,其实并不是我们想象中的神学,而是一种宇宙法则,宇宙规律。
在爱因斯坦看来,宇宙如此有秩序,那么其背后必然有一双无形的手在操控,而这双无形的手其实就是宇宙的一种至高法则,一种至高物理规律。
只有找到了这条物理规律,或许才能够让我们真正了解宇宙的本质。
所以从某种程度上来讲,神是不存在的,存在的只是宇宙的各种法则,各种科学规律。
我们只要将这些科学规律一一挖掘出来,那么人类也就完全了解了宇宙,成为宇宙至高的文明。
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