当我们仰望地球的夜空,星星点点,其中6000多颗星星能够直接映入眼帘。

这些星星大多数属于银河系内的恒星,少数几颗则是太阳系内的行星。
然而,尽管我们能够观测到数以千计的星系,每个星系中至少有数百亿颗恒星,理论上宇宙中应该充满了生命,但实际上,我们目前却感受到了一片宇宙的宁静,这引发了一个永恒的问题:宇宙中是否只存在人类文明,而其他所谓的外星人只是我们的臆想?
天文学家们声称,可观测宇宙中至少存在2万亿个星系,每个星系中至少有1000亿颗恒星,因此外星文明存在的可能性是很大的。
然而,理论上的丰富外星文明与我们实际观测到的宇宙寂静形成了鲜明的对比。
这引发了越来越多的人对宇宙中是否真的存在其他文明的质疑。
理论上存在这种可能性,因为我们并没有证据表明文明是生命的下一个阶段。
换句话说,产生了生命的星球未必会诞生智慧文明,更不一定会发展出科技来在宇宙中扩张。
因此,我们无法发现其他外星文明也是正常的。
以地球生命史为例,生命在38亿年前诞生于地球海底火山口附近。
然而,直到200万年前,人类祖先才在巧合的情况下出现。

在这两个事件之间,地球上虽然存在生命,但却从未产生过智慧文明和科学技术。
在这个空窗期内,地球上的生命无法在宇宙中留下任何痕迹。
如果地球上没有出现人类文明,那么这颗星球对于低技术阶段的外星文明来说就是不存在的。
因为无论是恐龙还是三叶虫,都不可能被远在数百光年之外的外星文明所察觉。
就如同我们今天无法发现比自己更先进的文明,比我们更落后的文明同样无法在宇宙中留下明显的智慧文明痕迹。
宇宙中的生命或许大量存在,甚至太阳系中的木星和土星的卫星上也可能存在基本的单细胞或多细胞生物。
然而,真正像人类文明一样具备复杂思想能力的生物可能不存在,或者即使存在,也可能还处于初级阶段。
这样的生命,就像《阿凡达》中的潘多拉星人一样,如果不是人类太空探索的发现,它们短期内是不可能在宇宙中留下痕迹的。
有人认为,宇宙中只存在人类文明的解释是整个宇宙是虚拟实验的一部分,不是真实的宇宙。
在这个虚拟的宇宙中,文明的数量只有一个,那就是地球上的人类文明。

这种观点的提出源于物理学对于光速的限制和波粒二象性的叠加的无法解释。
科学家们一直找不到光速为什么是每秒30万公里的原因,也无法解释微观世界的粒子为什么能够同时具备两种状态。
计算机科学家提出了一种有趣的观点:每秒30万公里的光速实际上是运行宇宙模拟实验的硬件限制。
这个超级计算机最高只能以光速进行运算模拟,超过这个速度就会导致程序崩溃。
至于微观世界的粒子叠加态,则是为了节省算力,以尽可能保持系统的稳定性。
虚拟实验的概念为宇宙的奇迹提供了另一种解释,但这仍然是一个充满未知的领域。
宇宙中的生命和文明是否真的孤独,或许是我们将来科学探索的一个深刻问题,一个关乎人类存在和宇宙奥秘的谜团。
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