宇宙三大未解之谜：探索未知，开启下一个时代

宇宙，是一个充满神秘和无限可能的领域。

人类对宇宙的探索从未停止，然而，宇宙中仍有许多未解之谜等待着我们去攻克。

如果能够解开这些谜题，人类将迎来下一个时代的伟大飞跃。

第一个未解之谜是暗物质。

暗物质是一种不发光、不与电磁波相互作用的物质，它在宇宙中占据了大约 85%的物质质量。

尽管科学家们已经通过各种观测手段发现了暗物质的存在，但至今仍不清楚它的本质是什么。

暗物质的研究对于理解宇宙的结构和演化至关重要，它可能是解开宇宙起源和命运的关键。

目前，科学家们正在利用各种探测器和望远镜来寻找暗物质的踪迹。

其中，最著名的是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC），它通过高能粒子对撞来模拟宇宙早期的环境，希望能够发现暗物质的粒子。

此外，还有许多其他的实验和观测项目正在进行中，这些努力都将为我们揭示暗物质的神秘面纱。

第二个未解之谜是暗能量。

暗能量是一种推动宇宙加速膨胀的神秘力量，它在宇宙中占据了大约 68%的能量密度。

暗能量的发现完全出乎人们的意料，它的存在挑战了我们对宇宙的传统理解。

为了研究暗能量，科学家们提出了各种理论模型。

其中，最著名的是宇宙学常数模型和 quintessence 模型。

然而，这些模型都存在一些问题，需要进一步的研究和验证。

目前，科学家们正在通过观测宇宙微波背景辐射、星系团的分布和引力透镜效应等手段来研究暗能量的性质和行为。

第三个未解之谜是生命的起源。

生命是如何在地球上诞生的？这是一个困扰了人类几千年的问题。

虽然我们已经对生命的基本组成部分有了一定的了解，但对于生命起源的具体过程仍然一无所知。

目前，科学家们正在通过模拟实验和化石研究等手段来探索生命的起源。

其中，最著名的是米勒-尤里实验，它模拟了地球早期的环境，证明了简单的有机分子可以在适当的条件下形成。

此外，还有许多其他的实验和观测项目正在进行中，这些努力都将为我们揭示生命起源的奥秘。

如果我们能够攻克宇宙三大未解之谜，将对人类产生深远的影响。

首先，我们将对宇宙的本质和演化有更深入的理解，这将推动物理学、天文学和宇宙学的发展。

其次，我们将能够更好地利用宇宙资源，为人类的未来发展提供新的动力和机遇。

最后，我们将能够更好地保护地球和人类的未来，避免宇宙中的各种危险和威胁。

然而，攻克宇宙三大未解之谜并不是一件容易的事情，它需要全球科学家的共同努力和创新。

目前，各国政府和私人机构都在加大对宇宙探索的投入，希望能够在未来几十年内取得重大突破。

在这个过程中，我们也需要关注一些潜在的风险和挑战。

例如，宇宙探索可能会带来一些环境问题和安全隐患，我们需要在探索的同时做好环境保护和安全防范工作。

此外，宇宙探索也需要遵循伦理和道德原则，确保人类的探索活动不会对其他生命和文明造成伤害。

总之，宇宙三大未解之谜是人类探索宇宙的重要目标和挑战。

如果我们能够攻克这些谜题，将为人类带来巨大的利益和进步。

让我们共同期待那一天的到来，为探索宇宙的奥秘而努力奋斗！

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