暗物质的神秘力量或重塑人类对宇宙的认知
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暗物质可能会受到一种看不见的吸引力，但更强的吸引力不一定会使宇宙变得更密集。
为什么给暗物质增加一种额外的吸引力不一定会产生更团块化的物质。
暗物质通过引力塑造星系和宇宙的大尺度结构，但没人知道引力是否是它唯一的影响。
暗物质粒子或许还会通过一种普通物质无法感知的隐藏力相互吸引。
研究人员在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（JCAP）中探讨了这种可能性，并得出了一个反直觉的结论。
一种额外的吸引力可以使暗物质粒子更紧密地聚集在一起，而不会加速宇宙结构的整体增长。
在研究过的大多数条件下，它实际上会抑制这种增长。
这一观点受到关注，因为越来越精确的测量并未都呈现出一幅完全一致的宇宙图景。
对宇宙膨胀的观测以及对星系和更大结构随时间演变的测量显示出微小但持续的差异。
对遥远宇宙的一些研究表明，过去宇宙的膨胀速度可能比标准宇宙学模型预测的略慢。
同时，对宇宙微波背景（早期宇宙遗留的辐射）的观测表明，物质在最大尺度上的聚集程度可能比预期的更强。
这些分歧仍然不大，但它们已促使物理学家去检验标准模型是否遗漏了暗物质的某些性质或其他宇宙成分。
一种隐藏的力量可能会填补这个空白
一种可能性是仅在暗物质粒子之间起作用的暗力。
因为这种相互作用可能会改变宇宙膨胀以及星系和其他结构的形成，它或许有助于解释一些观测上的矛盾。
关于暗物质，我们目前真正了解的知识都只是通过它的引力效应获得的，理论物理周边研究所的研究员、该研究的通讯作者扎卡里韦纳说。
这就留下了一种可能性，即暗物质可能存在与普通物质无关的额外相互作用。
韦纳及其同事研究了一些理论模型，在这些模型中，暗物质除了受到引力作用外，还会受到一种长程吸引力。
他们将理论计算与宇宙学观测相结合，追踪两个相关效应：额外相互作用如何改变宇宙的膨胀历史，以及它如何影响大尺度结构的形成。
吸引力更大并不意味着结构更完善
最简单的预期是，另一种吸引力会使暗物质更快地聚集。
更快的聚集可能会产生更密集的宇宙结构，并有可能解释那些表明物质比标准预测所允许的更集中的观测结果。
韦纳说：你首先会想到的是，给暗物质施加一种额外的吸引力应该会让结构增长得更快。
但同时还有另一种效应在起作用。
隐藏的力确实会增强暗物质粒子之间的吸引力。
然而，这只是计算的一部分，第二种效应会改变最终结果。
暗物质会随着时间推移变得越来越轻
在研究人员检验的模型中，增强聚类的同一相互作用也会在宇宙膨胀时改变暗物质。
这些粒子实际上会随着时间推移失去质量。
这种质量的下降会削弱它们的引力影响。
尽管由于额外的力，粒子聚集得更有效率，但它们减弱的引力影响超过了额外的聚集效应。
因此，这种相互作用不会增强暗物质在宇宙微波背景上的印记。
在大多数研究的情景中，它反而会减缓宇宙结构的整体发展。
这一发现限制了更广泛的理论。
这个结果可能会影响那些超越最简单暗力模型的理论。
针对暗能量光谱仪（DESI）近期测量结果提出的几种解释包括暗物质粒子之间的相关相互作用。
研究人员认为，更强的引力与有效质量下降之间的这种竞争可能在许多更复杂的模型中存在。
因此，任何试图利用暗物质相互作用来解释宇宙学观测结果的尝试都必须同时考虑这两种效应，而不是假设额外的引力会自动产生更多结构。
新的调查和观测站正在产生精度不断提高的测量结果。
将这些观测结果与诸如此类模型的预测进行比较，可能会缩小暗物质可能存在和不可能存在的隐藏相互作用的范围。
宇宙往往比我们的直觉更微妙，韦纳说。
这正是我们必须不断检验这些想法的原因。
相关知识
暗物质是宇宙中无法通过电磁波直接观测的物质，却能通过引力效应被感知。
它约占宇宙总质能的27%，是维持星系结构稳定的关键——若仅靠可见物质的引力，星系会因旋转过快瓦解。
科学家通过引力透镜、宇宙微波背景辐射等间接手段研究它，但尚未直接捕捉到其粒子形态。
BY: Sissa Medialab
FY: AI
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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
