1946年,二战结束后的第二年美国的工程师向月球发送了一束无线电波,并成功地检测到了它的回波,他们把这项 实验成为戴安娜计划,这是首次由人类发出的星际信息传递,那是一段听起来很怪异的钟声。

只要发挥一下无限的想象力,无限的可能性就会涌现出来,载人太空飞船上,当它以每小时数千英里的速度行驶时,我们能有效地控制它,并且建立起通讯连接,与飞船上的乘客交谈。
当物体以光速行驶时,只需要1秒钟,就能让无线电波抵达月球,但扩散开来的波阵面比月球更大,大部分的电波会从月球旁边经过,只有中央部位的电波会反弹回来。
经过2.5秒的来回时间后,电波回到了地球。
戴安娜计划传输了一连串的强烈无线电波,每隔4秒发送一次,那些没有抵达月球的电波仍会继续旅行,这仅仅是个开端,二战后,美国各地的电视台遍地开花,世界各地也同样如此。

戴安娜计划发送的信息,FM广播,电视与雷达发送的信号,在20世纪中早已以光速向四处发送,这些信号组成了一个巨大的无线电波层,在地球之外向四周扩张。
可以说,我们的世界正在向外光波故事。
我们的祖先把吉尔伽美的故事刻在石板上,以此把传奇流传到现在,我们则把故事转为无线电波,发送到太空中去,它们每年要走1光年也就是6万亿英里,自从它们被发送出去的那一刻起,人类已经像这样向太空发送信息已经近80年了。
最先发出的电波已经横扫了其他恒星的几千个行星,如果这些星球上的文明拥有无线电望远镜的话,他们就可能知道我们在这里。
如果其他的世界也能够发送他们的故事到太空中,又会怎样?
自从1960年以来,人类一直在监听来自外太空的无线电信号,不过还没有听到什么像钟声那样的东西。
不过我们的研究还过于零散,只局限于天空中的某个部分。
现在我们知道,我也也许错过了某些外星人的信号,因为我们找的是错误的地点,在错误的时间,我们监听的只是很小的一部分。

对于我们银河系的星球来说,或许还有其他的问题,我们人类从某些方面来说是时代的囚徒,受困于我们的科技水平,无线电与电视广播在人类的科技发展史中也许只是一个很简单原始的阶段。
当我们设想着外星文明也许用无线电望远镜发送着信号的时候,我们又和那些设想着乘坐炮弹飞到月球的先人有什么不同?
比人类更先进的外星文明也许已经发展到另外一种通讯模式了,一种我们还不知道,更无法想象的方式,他们的信息很可能此刻就围绕在我们的周围,可是我们不懂得怎么去捕捉它,就像我们的祖先一样,在一个多世纪以前,人们经常会察觉不到从别的地方传来的无线电呼救信号。
还有一个更棘手的可能性,文明和生命体一样,在生存过一段时间以后会消亡,由于自然的原因或者是暴力,或者是自行造成的毁灭。
不管怎样,我们已经尽力去接触外星文明,这可能取决于另一个重要问题,一个文明的寿命有多长?
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