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宇宙十大未解的秘密:阿波罗13号事故究竟发生了什么

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

很多美国航天业内人士对于导演朗·霍华德Ron Howard拍摄的电影《阿波罗13号》常常怀有一种又爱又恨的矛盾心理。

这部电影对美国宇航局的阿波罗计划进行了可说是极为精准的描述,并且大体上对阿波罗13号意外事件的处理进行了正面的展现。

同时在这部影片中也表现了美国宇航局当年在处理阿波罗13号危机的7天时间里在救援工程方面所做的海量工作,并将这一危机事件的应对提升到了接近"神话"的高度。

  但在另一方面,《阿波罗13号》这部电影毕竟仍然逃不过好莱坞的那一套——无限制地聚焦和放大各个角色人物之间的关系话题。

当飞船处于月球背面时,宇航员吉姆·罗威尔Jim Lovell,杰克·斯威格特Jack Swigert以及弗雷德·海思Fred Haise互相之间实际上从未大声说话甚至相互吼叫,没有任何人怀疑过斯威格特的驾驶技巧。

而同样的,在地面上的替补宇航员肯·马丁里Ken Mattingly也从未像影片中表现的那样将自己锁在一个模拟仓中亲自为阿波罗13号的动力故障设计排障方案。

  在影片中,人类的第三次登月行动已经显得非常平淡无奇:1960年代肯尼迪总统提出的要将一个美国人送上月球并安全送回来的非凡挑战已经达成,而公众对于登月的壮举也已经开始逐渐失去最初的那种兴奋,甚至电视台也已经不再对登月进行直播。

但就在此次任务执行到第三天的时候——1970年4月13日,一件意外事件的发生,重新将全世界人们关注的目光吸引到了这艘小小的飞船和它上面3名美国宇航员的身上——一次常规的检查程序却导致了飞船氧气舱的爆炸。

突然之间,这三名宇航员的安危变得命悬一线。

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  那么,如果说这部几乎在20年前拍摄的影片并未展现这次事件的全部景象,那么当时阿波罗13号事件的实际情况又究竟如何呢??氧气罐究竟为何会发生爆炸?而如果说这儿氧气罐本身就有缺陷,那么一开始它是怎么会被安装到飞船上去的?但最主要的一点还在于,在哪个仍然主要依赖算尺和极度原始计算机设备的年代,在45年前,在经历了那样严重的故障之后,阿波罗13号究竟是如何竟能安全返回地球的?

  阿波罗飞行控制员Sy Liebergot是回答这些问题的权威专家,他曾经单位诸多项目的EECOM"电力,环境和通信系统"操作员,其中就包括阿波罗13号项目,他对涉及阿波罗13号事件的一些问题进行了解答:

当时地面上到底发生了什么?

  在从地球飞往月球的过程中,阿波罗飞船实际上是由3个其实也可以说是4个主要的部分组成的:粗短的阿波罗飞船指令仓是宇航员所在的舱段,柱状的阿波罗服务舱里则主要用来安放飞船的电子和环境维持设备,另外还有外观略显笨拙的登月舱,而登月舱本身则也可以再分为两个部分——上升段以及下降段。

  阿波罗飞船使用一套复杂的电池以及三台大型燃料电池为其所有设备提供电力供应,其中燃料电池会承担飞行阶段的大部分电力供应任务。

这种燃料电池的工作原理是将氢和氧进行反应,从而产生1.4kW的30V直流电,并在过程中产生少量水。

这样产生的电力将用于驱动飞船各大系统,而产生的水则将被用于飞船系统冷却,以及宇航员的日常饮用,卫生用水,脱水的食物加水以及其他各种用途。

  而尽可携带大量氢气和氧气的效率最高的方式便是使它们处于液态的形式,因此在阿波罗飞船的服务舱内安装有两个大型的液态氢罐每个内部装有13公斤的液氢,另外还有两个液态氧罐每个内部装有大约148公斤的液氧。

之所以液氧的重量比液氢多出许多,是因为其密度相比液氢要高得多。

  简单来说,阿波罗13号遭遇的问题主要是围绕第二个液氧罐,即所谓"二号灌"而发生的。

这个圆形的液氧罐是在多年前由Beech Aircraft公司根据与North American Rockwell公司之前签署的合同创造的,其最初的创造目的是安装在1969年发射升空的阿波罗10号上。

但就在阿波罗10号发射之前,这个液氧罐却被拆卸了下来进行维护和改装,并曾在这一过程中发生过掉落事件——这个罐子曾经从大约2英寸约合6厘米的高度上摔落下来。

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