光速是每秒30万公里,这个速度也是宇宙中信息传递速度的上限,量子纠缠的反应速度虽然超光速,但并不传递信息。

宇宙膨胀的速度虽然也超光速,但那属于宇宙时空本身的性质,光速只限制宇宙时空之内的物质,而不限制宇宙本身,因此长期以来研究如何超光速就成了物理学家们的任务之一,目前只有借助时空本身的特性构建虫洞绕开光速,这个方法在理论上可行,剩下的不论是核聚变飞船还是反物质飞船都不能超光速。
和很多人想象的不一样,达到光速之后很多事情其实是反直觉的,比如两束光的相对速度仍是光速,而不是每秒60万公里的二倍光速,这是因为光速的叠加需要用到洛伦兹变换,而低光速的运动只需要伽利略变换。
不过光速虽然不能被超越,但是能被改变速度,具体而言是改变光在介质中速度,这是因为光在穿过物质时,光电效应会让物质中电子也发生运动,就像水上的船一样,此时上下移动的电子会产生一个电场,这个电场又会产生一个磁场,于是这些移动的粒子就产生了第二个光波,这个光波与原始光波重叠,但波动的速度与原始光稍有不同。

所以当两个波相遇时,它们会相互干扰,有时会相互加强,有时会相互抵消,我们实际上观测到了一个新的波,即一个与其他两个速度不同的波,一个比光速慢的波,当这个波飞出介质后,就不存在电子干扰的问题了,因此光波的速度也就恢复到每秒30万公里了。
早在1999年,哈佛大学就把光在钠原子云中的速度降低到了61公里/小时,比一辆汽车还慢,类似的场景在《三体》中也出现过,但当时人类的主要任务是降低真空光速而不是改变介质,所以并不是故事的主线。
就目前而言
物理学家针对光速主要有一个问题,那就是光速为什么偏偏是每秒30万公里,而不是更快或者更慢?
你也许会认为这是人类文明的计量单位造成的,但事实上作为宇宙的基本规律,科学家们完全相信宇宙中其他文明测定的光速和人类文明的完全一致,只是双方会因为表述单位的不同而不同,但本质上仍然是一个速度。

一些持宇宙虚拟理论的人认为,每秒30万公里的真空光速是一个计算机中设定的数值,它代表着这个程序,或者说这个计算机的运算速度上限,任何模拟实验,乃至于包括我们人类自己,都不能达到或超过这个速度,否则机会引起系统崩溃。
除了这种较为科幻的理论外,还有物理学家从平行宇宙的角度来解释光速,认为我们的宇宙只是宇宙大爆炸中诞生的无数平行宇宙之一,真空光速也是无数种光速之一,所以每秒30万公里并没有什么奇怪的地方。
总体来看
光和时间一样,都是我们一直能感受到,但一直研究不明白其本质的东西,也许看似简单的现象背后,真的藏着宇宙的最深层的秘密。
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