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宇宙没有上下之分,地球同样也没有,有的只是引力

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

#头条讲真的#地球没有任何支撑,却能够飘浮在宇宙中,这到底是为什么呢?

原因很简单,宇宙根本就没有什么上下之分。

其实,不仅宇宙没有上下,地球同样也没有上下,所谓的上与下不过是人为定义的结果。

哪里是上,哪里又是下呢?头朝上,脚朝下吗?如果是这样,那么处于地球另一端的人,岂不是头朝下而脚朝上?显然不是这样的,无论站在地球表面的哪一个位置,头永远都是朝上的,而脚永远都是朝下的,因为上与下完全就是人为定义出来的,而这个定义的根据就是引力。

人们将引力的方向定义为下,而与之相反的方向定义为上。

地球的引力方向是指向地心的,这样一来,无论身处地球上的哪一个位置,脚所朝向的方向就都是下了。

地球是如此,宇宙也一样如此,既然引力的方向就是下,所以宇宙也是存在上下的。

引力是无处不在的,任何有质量的物体都具有相互的引力作用,但引力也有强弱,它的强弱与质量息息相关,比如我们所在的地球,它所受到的最主要引力影响就来自于太阳,所以对于地球而言,太阳所在的方向就是下。

在地球上,没有外力干扰的情况下,所有的物体都会向下坠落,那么地球为什么没有向太阳的方向坠落呢?

现在让我们来思考这样一个问题,如果我们向前抛出一个物体,这个物体的运动轨迹会是什么样子的呢?它会以抛物线的形式向下坠落。

为什么是这样呢?因为向前抛出的物体受到两个力的作用,一个力是朝向正前方的,而另一个力则是垂直于地面的引力,这两个力合力的方向是朝向斜下方的。

由于阻力的影响,物体的运动速度会逐渐下降,所以合力的方向也会逐渐改变,于是就形成了一条抛物线。

很显然,抛物线的曲率与抛出物体的速度存在着直接的关系,物体的运动速度越慢,抛物线的曲率就越大,物体的运动速度越快,抛物线的曲率就越小。

也就是说,当物体的运动速度快到一定程度的时候,抛物线的曲率就会等于地球的曲率,于是物体就会一直围绕地球运动,而不会坠落地面。

这个有趣的思想实验最早是由牛顿所提出的,因此又被称之为牛顿大炮。

那么物体的运动速度要达到多快,才能够永不坠落呢?

在地球上,这个速度就是每秒7.9千米,我们称之为第一宇宙速度。

人类发射升空的那些航天器之所以能够一直围绕地球运行就是因为它们都达到了第一宇宙速度。

牛顿大炮这个思想实验同样也适用于地球和太阳,地球围绕太阳运行,自身存在着一个轨道速度,这使得地球的运行轨道曲率小于太阳的曲率,所以它永远不会坠入太阳,而是会一直围绕太阳运行。

地球公转的速度有多快?大约为每秒29.78千米,这个速度甚至超越了对抗太阳引力所需的速度。

正是因为如此,地球的公转轨道并不是一个标准的圆形,而是一个椭圆。

为什么呢?因为理论上只有运动速度刚好等于对抗引力所需的速度,轨道才会呈现为一个标准的圆形,而速度越快,轨道便会越椭,当速度快到一定程度的时候,这个物体便可以脱离引力的束缚而去往更为遥远的宇宙空间。

地球是没有办法摆脱太阳的引力束缚了,但是我们可以通过发射航天器的方式去探索更为遥远的宇宙空间,而从地球上发射的航天器,若想摆脱太阳系的引力束缚,就需要达到第三宇宙速度,也就是每秒16.7千米。

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