我们每天都要根据温度来进行穿着。

在日常生活，0度以下，水就会结冰，100度水就沸腾，这都是常识。

但问题来了，你有想过“温度”到底是什么吗？它和热量有什么关系呢？

不仅如此，为什么宇宙中的最高温度是1.4亿亿亿亿度，而最低温度却是零下273.15度。

要了解这个问题，我们首先要从温度的本质说起。

温度的本质

如果微观的视角来看，万物都是由粒子构成。

粒子并非是一动不动地排列，相反粒子是在一直运动的。

由于构成物质的粒子数非常多，我们无法去单一衡量一个粒子的运动情况，而是利用统计的手段。

具体来说就是，如果构成物质的粒子整体运动得越剧烈，宏观世界表现出来的温度就越高，相反，如果粒子整体运动得越不剧烈，宏观世界表现出来的温度就越低。

因此，我们可以用“分子的平均动能”来描述温度。

由此，我们也可以很容易得到一个结果，当分子的平均动能最低时，那对应的温度就应该是宇宙中的最低温度，通过理论推导和计算，我们就可以得到这个温度是零下273.15度，也被我们称为：绝对零度。

温度可以无限高吗？

那么问题来了，宇宙中的最高温度到底是多少呢？

如果我们不断地让粒子的平均动能升高到底会发生什么事情呢？

实际上，我们还真的可以找到参照。

当我们不断地给物质加热时，构成物质的粒子的平均动能就会不断升高。

这时候物质就会呈现出从固态，到液态再到气态的变化。

说白了就是由于分子的平均动能增加，分子整体运动得更为剧烈，分子之间的距离也逐渐变大，从而影响到了宏观的物体变化。

那如果继续给气体加热，还会得到什么呢？

我们都知道，分子是由原子构成的，原子是由原子核和核外电子构成的，原子核外电子之所以会绕着原子和运动，是因为原子核是带正电的，电子是带负电的，它们之间会有电磁相互作用。

于是，电子就会被束缚在一定的范围内，而不会乱跑。

但如果持续给物质加热，此时电子会获得足够大的能量，于是就可以摆脱原子核的束缚，成为自由的电子。

此时的物质会呈现等离子态，说白了就是各种原子核、电子，光子聚集在一起的状态。

太阳就是一个典型的等离子体，主要是由氢原子核，氦原子核，电子，光子构成。

而太阳内核的温度达到了1500万度，表面的温度达到了5500度~6000度。

那么等离子体就是极限了吗？

答案显然不是这样，忽略技术难度，我们依然可以继续对等离子体物质加热，让物质的温度继续升高。

那此时物质可以升高到多少度呢？存不存在一个极限温度？

按照目前的技术，科学家利用强子对撞机LHC，曾经创造了局部温度达到几亿度的水平，还要继续把温度提升，就需要更大的强子对撞机。

不知道你有想过，为什么科学家要去创造这样的温度？

实际上，他们是为了模拟宇宙起源的环境。

按照目前的主流宇宙学理论，宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。

由于物理理论的限制，我们并不知道这次大爆炸之后的普朗克时间（10^-43秒）内发生了什么？

而普朗克时间后，宇宙的温度是1.4亿亿亿亿度。

这也是我们所生活的宇宙的最高温度。

宇宙大爆炸之后，宇宙开始膨胀，温度开始下降，随着温度的下降，粒子从无到有，逐渐形成，并且出现了四大作用力。

于是，最终构建出了我们这个宇宙。

也就是说，如果我们穷尽这个宇宙，不考虑技术难点的情况下，可以把温度一直提升到几十亿度，上百亿度。

在提升温度的过程中，构成物质的粒子会逐渐走向衰亡。

不仅如此，四大作用力会合并到一起，完全就是纯能量的状态，此时得到的温度将会是：1.4亿亿亿亿度。

这相当于我们把自己宇宙的进程进行的一次倒序地播放，并最终回到宇宙最初的温度，这个温度包括了我们这个宇宙所有的能量，这就相当于创造了一个宇宙的开端，也就是说我们在这个过程中，创造了一个和我们一样的宇宙。

因此，在温度提升过程中，温度自身的定义也发生了变化，并非完全由粒子的平均能量来衡量。

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