看似不可能的黑洞合并，或许只是时空扭曲带来的宇宙错觉

9 月 10 日消息，一项新研究提出，两个超大质量黑洞之间那场看似“不可能发生”的并合事件，或许并没有原先认为的那么违背物理规律。

研究认为，参与并合的黑洞实际质量比此前测算的更小。

2023 年 11 月 23 日，激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到时空泛起的微弱涟漪，信号来自一次黑洞并合。

这个编号 GW231123 的信号之所以震惊学界，是因为它最初的解读结果显示，一个 140 倍太阳质量的黑洞和一个 100 倍太阳质量的黑洞发生了碰撞。

这一结果让研究人员十分费解。

现有的恒星演化模型很难解释为何会形成质量如此巨大的黑洞，更何况这两个黑洞的自转速度看起来还极高。

科学家一直在寻找这类特殊双黑洞系统的形成机制。

而这支新研究团队提出，其实不必费心解释它的形成原因，因为这两个黑洞的巨大质量只是一种假象。

造成这种假象的核心效应是引力透镜。

该效应最早由爱因斯坦 1915 年提出的引力理论，也就是广义相对论预言，引力波同样是广义相对论的推论。

广义相对论认为，有质量的物体会扭曲时空，时空是时间与空间一体的四维结构。

物体质量越大，时空弯曲程度越强，引力正是由这种时空弯曲产生，弯曲程度越高引力作用越强。

引力透镜效应是指：当背景天体发出的光线经过前方大质量天体附近时，前景天体会扭曲时空结构，让光线的传播路径发生偏折。

来自同一个背景光源的光线，会因为偏折程度不同，在不同时间抵达地球。

光线抵达时间的差异，还会放大背景天体的亮度。

天文学家早已利用这一效应，观测那些原本过于暗淡、难以直接观测的遥远古老星系。

这支研究团队认为，引力透镜效应同样适用于引力波。

他们提出，GW231123 信号就是被引力透镜放大的时空涟漪，透镜效应让黑洞看起来比真实质量更大。

阿尔伯特 · 爱因斯坦研究所天体物理与宇宙学相对论课题组组长米格尔 · 苏马拉卡雷吉作为团队成员在一份声明中表示：“和光一样，引力波也能被大质量天体偏折、放大，还会拆分成多路信号。

对于引力波来说，衍射与干涉效应，为我们识别、研究经过透镜效应处理的信号提供了额外手段。

”

为验证猜想，研究团队搭建了引力透镜的数学模型，并开发出高性能、运算速度足够快的配套分析软件。

参与这项研究的斯拉什蒂 · 戈亚尔（研究期间任职于爱因斯坦研究所）介绍：“如果假设 GW231123 信号被一个质量约 190 至 850 倍太阳质量的致密天体，或是球状星团这类延展结构偏折、扭曲，我们就可以解释观测到的‘超大质量’结果。

而且用引力透镜来解释，就不需要假设黑洞拥有极高自转。

”

研究团队把这个条件纳入模型重新模拟该事件后发现，发生并合的系统总质量为 140 倍太阳质量，而不是最初估算的 240 倍太阳质量。

目前团队还无法确定，究竟是哪个大质量天体充当了透镜，扭曲了 GW231123 引力波信号。

但无论这个透镜天体是什么，如果该研究结论成立，它本身就会是一个很特别的天体。

苏马拉卡雷吉说：“在我们的分析中，透镜天体的本质仍然是一大谜团。

因为质量介于 100 至 1000 倍太阳质量的独立致密透镜天体本身就极为罕见。

后续研究需要确认这类透镜天体能否形成，或是能否由恒星等大量轻质天体的集合体来解释本次事件。

”

团队目前还不能下定论，确认 GW231123 就是人类探测到的首个经过引力透镜作用的引力波信号。

想要找到更多同类信号，还需要提升 LIGO 这类探测器的灵敏度。

即便还没有找到更多实例，这项研究也证明，引力波天文学可以用来研究宇宙中最剧烈的天体活动。

IT之家注意到，该研究成果已于 8 月 25 日发表在《天体物理学快报》上。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

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

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