古老黑洞或曾幸存于大爆炸前的宇宙纪元
黑洞可能比大爆炸本身更古老吗？一项新研究探索了一种宇宙学模型，其中宇宙起源于早期的收缩阶段而非单一的开端。
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一种新的宇宙反弹模型表明，大爆炸前宇宙的残留物如今可能仍然存在。
如果宇宙中一些最古老的天体实际上比大爆炸本身还要古老呢？
朴茨茅斯大学的一项研究表明，古老的黑洞可能从我们所知的宇宙诞生之前的时代就存活了下来。
这些被称为宇宙化石的假设性遗迹，或许经历过剧烈的宇宙转变，至今仍散布在整个宇宙中。
如果它们真的存在，可能有助于解开天文学最大的谜团之一：暗物质的身份——这种不可见的物质似乎比普通物质更重，并塑造着星系的形成与演化。
研究挑战了一切始于单一宇宙大爆炸的传统观点。
相反，它探索了一种反弹场景：宇宙曾一度收缩，之后逆转成我们如今观测到的膨胀状态。
在这种图景下，一些结构可能在这一转变中幸存下来，携带着来自宇宙最早可观测光线之前的某个宇宙时代的信息。
挑战标准大爆炸图景
朴茨茅斯大学宇宙学与引力研究所及巴塞罗那空间科学研究所的这项研究的主要作者恩里克加斯塔尼亚加教授表示：近一个世纪以来，宇宙学家们将宇宙的历史追溯到一个被称为大爆炸的戏剧性时刻。
在标准模型中，空间和时间从一个极热、极密的状态中诞生，随后是数十亿年的宇宙膨胀和星系形成。
这个模型非常成功。
它解释了宇宙微波背景——早期宇宙遗留下来的微弱辐射——并准确预测了星系在广阔宇宙空间中的分布方式。
但物理学中一些最深奥的谜团仍未解开。
我们仍然不知道是什么引发了大爆炸，为什么宇宙始于这样一种特殊状态，是什么导致了被称为暴胀的短暂快速膨胀阶段，或者是什么看不见的暗物质——其质量约为普通物质的五倍。
我们的研究探索了一种可能，这种可能可以将其中几个谜题联系起来：宇宙或许根本不是以一次单一的大爆炸开始的，而是从一次模拟膨胀的宇宙反弹中诞生的，宇宙中一些最古老的天体可能作为它之前的遗迹留存了下来。
黑洞宇宙朴茨茅斯大学
根据研究人员的说法，一些黑洞可能在反弹之前就已经形成，并在向膨胀宇宙的过渡过程中留存下来。
这些古老的天体仍可能在数十亿年后影响星系的结构和演化。
其他黑洞可能在反弹发生后不久就形成了。
在这种情况下，早期宇宙中异常大的密度涨落会产生密集的物质团块，这些团块在引力作用下更容易坍缩，从而帮助黑洞和其他大型宇宙结构在早期形成。
一个反弹而非起源的宇宙
在爱因斯坦的广义相对论中，大爆炸与奇点相关联，奇点是一种密度变得无穷大且已知物理定律不再适用的状态。
许多物理学家认为这表明当前理论无法完全描述宇宙最早的时刻。
一种被提出的替代理论是弹跳宇宙学。
在这个模型中，宇宙最初是一片巨大的云，在反向膨胀之前先收缩。
它并没有达到无限的奇点，而是在反弹前达到了极高但有限的密度。
Gaztañaga教授补充道：奇点往往表明我们的理论描述已达到极限。
反弹提供了一种宇宙从收缩过渡到膨胀的方式，无需引入新的奇异物理。
解释宇宙暴胀、暗能量与暗物质
该团队认为，这种反弹现象可以从量子物理学中自然产生。
在极高密度下，量子效应会产生压力，阻止物质被无限压缩——这一过程已知能稳定白矮星和中子星等致密天体，并重现暴胀膨胀阶段。
在新模型中，同种量子压力可能在整个宇宙尺度上起作用。
随着收缩的推进，这种压力可能阻止坍缩并引发新的膨胀。
研究人员认为，这种机制或许还能解决两个主要的宇宙学谜题。
它可能有助于解释暴胀——早期宇宙快速且异常均匀的膨胀阶段。
它也可能为当今宇宙膨胀的加速现象提供见解，这种现象通常被归因于暗能量。
一个特别有趣的预测是，在收缩阶段形成的一些结构可能在反弹过程中幸存了下来。
该团队的计算表明，直径大于约90米（295英尺）的致密天体能够穿过这一过渡阶段并出现在膨胀的宇宙中。
潜在的遗迹包括引力波、密度涨落和古老的黑洞。
这些幸存的黑洞也可能与暗物质有关。
如果在反弹过程中形成了足够多的黑洞，它们或许能解释暗物质的很大一部分，甚至可能是全部。
早期宇宙中的线索
该模型或许也有助于解释詹姆斯韦布空间望远镜近期观测到的年轻宇宙中意外出现的大质量天体，这些天体常被称为小红点。
许多天文学家认为这些天体源与宇宙历史中出现得异常早的快速增长的黑洞有关。
加斯塔尼亚加说：如果在‘反弹’发生后立即就存在大质量黑洞，那么早期宇宙在形成第一批星系时就不必从零开始了。
该理论提供了几种验证其预测的方法。
未来的观测可以搜索早期宇宙时代遗留下来的引力波，或者在宇宙微波背景中寻找保留了大爆炸前条件证据的微妙特征。
加斯塔尼亚加补充道：要验证这些想法还有很多工作要做。
但如果宇宙确实经历过一次反弹，那么如今塑造星系的暗结构可能是大爆炸之前某个宇宙纪元的残余。
参考文献：恩里克加斯塔尼亚加《黑洞、引力波与暗物质》，近期发表于《物理评论D》，DOI：10.1103pr4p6m49
相关知识
黑洞是宇宙中引力极强的天体，由大质量恒星耗尽核燃料后坍缩形成。
它的引力强大到连光都无法逃脱，因此无法直接观测，只能通过其周围物质被吸积时发出的辐射等间接方式探测。
作为宇宙中最神秘的现象之一，黑洞对研究天体物理和宇宙演化具有重要意义。
BY: University of Portsmouth
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
