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两种思路探索宇宙形状之谜

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

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  以牛顿引力为基础的牛顿宇宙观认为,宇宙是无限无边的三维欧氏几何空间,即宇宙分布在我们常说的立体几何空间里,这一空间是无限的,其中均匀地分布着无限多的天体。

然而,这一假设与引力理论并非完全契合,而是存在某些矛盾。

  "后来,当人们认识到弯曲空间的概念以后,便有了宇宙是三维球面的可能性。

"爱因斯坦构造了一个有限无边的宇宙静态模型,他认为宇宙可能是一个有限封闭的三维球面。

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  根据广义相对论,物质的存在使得时空弯曲。

在巨大质量的天体附近,光线不"走"直线,而是"走"曲线。

后来,随着对宇宙的认知进一步加深,人们发现,实际上宇宙的真实形状存在着多种可能性。

  "最常见的有3种可能,即平直的三维欧氏几何空间、弯曲的封闭三维球面和弯曲的三维双曲面。

"陈学雷表示,即宇宙曲率分别为零、正和负时,宇宙所呈现的三种不同形态。

  这三种可能的宇宙形状中,只有封闭三维球面是有限的空间。

三维双曲面就像马鞍的形状一样,马鞍的双侧下沿无限延伸。

而平坦的三维欧氏空间就更无边无际了。

  那么,这三种可能性究竟哪种才是宇宙的真实形状呢?我们又是用何种方法测算出宇宙的形状呢?

  "主要有两种思路,其一是用几何的方法测量,其二是用密度的方法去界定。

"陈学雷介绍。

  众所周知,在平直空间的欧氏几何中,任何三角形的内角之和都是180°。

但是如果在球面上或曲率为正的曲面上,内角加起来将超过180°。

而在双曲面或曲率为负的曲面上,三角形内角加起来将小于180°。

几何测量方法的原理是,以观测者作为一个顶点,再在空间选取2个点,构成一个三角形。

如果我们能测出三条边的边长,在欧氏几何中就可以确定这一具有唯一性的三角形,其顶角的大小就可以计算出来。

另一方面,我们也可以通过直接观测得到我们所在的顶角的大小,与计算值相比,就可以确定是否一致,还是更大或更小。

  如果这个顶角的观测值和计算值(真实值)相等,表明宇宙是平直的三维欧氏空间;

如果观测值大于计算值,则表明光线在一个正曲率面上穿行,即宇宙为球面;

如果观测值小于计算值,则表明宇宙是负曲率的双曲面。

  另外一种思路取决于膨胀宇宙的总体密度和临界密度的关系。

临界密度取决于膨胀速度,某一时刻的膨胀速度越高,临界密度也越高。

  根据广义相对论,当宇宙的总体密度(即平均密度)等于临界密度时,宇宙形状为无限、平坦的三维欧氏空间;

当总体密度大于临界密度时,宇宙的几何性质表现为球面几何;

如果宇宙空间中物质总量太少,使得其密度小于临界密度的话,宇宙表现为双曲几何。

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