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最新研究称宇宙的形状可能不是像床单一样扁平 而是像一个巨大充气气球 ...

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-06

最新研究称宇宙的形状可能不是像床单一样扁平而是像一个巨大充气气球

据新浪科技:美国生活科学网站报道,宇宙空间是什么形状?我们所知道任何宇宙形状都可以是错误的,依据一项最新研究,宇宙可能不是像床单一样扁平,而是像一个巨大的充气气球。

依据这项最新研究,如果宇宙形状是弯曲的,那也是平缓地弯曲结构,这种平缓的弯曲结构对人类生活、太阳系甚至银河系的运行并不重要,但是在银河系之外深邃黑暗的宇宙空间,天体保持着直线运行,最终将绕圈循环,并回到最初的起始点。

这项最新研究报告发表在11月4日出版的《自然天文学》杂志上,该研究报告源自宇宙微波背景(CMB)的相关数据,宇宙微波背景是大爆炸的微弱回声,但并不是任何人都对这项最新研究信服,该研究基于2018年发布的数据,与多年以来的传统观点相悖,也与近期另一项基于相同宇宙微波背景数据集的研究不一致。

依据这项最新研究,如果宇宙形状是弯曲的,那也是平缓地弯曲结构,这种平缓的弯曲结构对人类生活、太阳系甚至银河系的运行并不重要,但是在银河系之外深邃黑暗的宇宙空间,天体保持着直线运行,最终将绕圈循环,并回到最初的起始点。

宇宙学家称这种想法为“封闭宇宙”,它已存在了一段时间,但它不符合现有的宇宙运行理论,因此在很大程度上不被人们接受,取而代之的是一个“平坦宇宙”概念,宇宙向各个方向沿伸且没有边界,自身不进行回路循环。

目前,宇宙微波背景最佳测量的异常数据资料提供了宇宙是封闭结构的有力证据(但并不是绝对证据),封闭宇宙和开放宇宙的区别有点像被拉伸的平板和膨胀的气球,无论是哪种情况,整个宇宙都处于膨胀之中。

当某个平面结构被拉伸时,该结构上的每个点都保持直线彼此远离;

当宇宙膨胀时,其表面每个点都彼此远离,但是这个球状宇宙的曲率将使该运动的几何结构变得更加复杂。

研究报告合著作者、罗马智慧大学宇宙学家阿里桑德罗·梅奇里(Alessandro Melchiorri)称,这意味着如果有两个光子,它们在封闭宇宙中平行移动,最终会相遇在一起。

在开放、平坦的宇宙概念中,光子在不受干扰的情况下,会沿着它们的平行方向运动,而不会相互作用。

梅奇里说:“传统宇宙模型是不断膨胀的,暗示着宇宙应当是平坦结构,追溯至宇宙膨胀之初,在大爆炸后最初的0.0000000000000000000000001秒,依据这个最新模型,将呈现一个难以置信的时间节点,宇宙从最初那个无限小的点开始增长,以指数级迅速膨胀,这个超快膨胀的物理结构这是一个平坦的宇宙。

这是多数专家认为宇宙是平坦结构的第一原因,梅奇里说:“如果宇宙不是平坦结构,你必须‘微调’原始机制中的物理原理,使其完全吻合,并在此过程中进行无数次其他运算,这可能是揭晓宇宙结构的必要环节。

”

因为宇宙背景辐射存在异常,它是我们在宇宙中观测到最古老的现象,是由周围的微波光构成,当人们将恒星、星系和其他干扰阻挡在外时,它就会充满整个空间。

它是关于宇宙历史和行为的最重要数据来源之一,因为宇宙背景辐射太古老了,并且遍布整个宇宙。

依据最新数据资料,宇宙背景辐射的“引力透镜效应”比预期的更多,这意味着引力对宇宙微波背景辐射的弯曲作用似乎比现有物理学所解释的更显著。

研究小组使用的数据源自2018年普朗克实验,这是一个欧洲航天局实验,能够比以往任何时候更详细地绘制宇宙微波背景辐射。

为了解释宇宙额外的透镜效果,普朗克实验项目在该宇宙结构模型中加入一个额外变理,科学家称其为“透镜”,梅奇里说:“这是你的手放入其中,试图解释你所看到的事物,这与物理学没有关系,意味着在爱因斯坦相对论中没有透镜参数,我们发现人们可以用一个正弯曲宇宙概念来解释‘透镜’,这是一个能用广义相对论说明的物理解释。

”

梅奇里指出,研究小组的解释并不是结论性的,依据该小组的计算结果,普朗克数据指向一个标准偏差3.5西格玛的封闭宇宙,西格玛是一种统计测量单位,意味着计算结果99.8%的可信度不是随机的,该数据远低于物理学家通常所提及的5西格玛标准。

但是一些宇宙学家表示,还有更多的环节存在疑问,需要进一步研究分析。

美国斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德(Andrei Linde)表示,《自然天文学》杂志上这篇最新论文,并未考虑到10月1日发表的另一篇重要论文结论。

在该研究论文中,英国剑桥大学宇宙学家乔治·埃夫斯塔西奥(George Efstathiou)和史蒂芬·格拉顿(Steven Gratton)也参与了普朗克合作项目,他们的研究数据范围比《自然天文学》杂志发表的论文更小,他们的分析也基本支持了一个曲面宇宙的观点,但与梅奇里等人所分析的更多普朗克数据相比,他们的统计可信度更低很多。

当埃夫斯塔西奥和格拉顿将这些数据与其他早期宇宙的数据集一起研究时,他们发现这些证据均指向一个开放的平面宇宙。

同时,埃夫斯塔西奥和格拉顿所依据的普朗克数据太少,他们的研究是基于改良版的普朗克数据,而不是600多名物理学家审查通过的公共数据。

埃夫斯塔西奥在研究过程将部分普朗克数据直接引用,他指出,如果宇宙的弯曲的,这与早期宇宙的其他数据集相矛盾,并且与观测到的宇宙膨胀率存在差异。

目前,梅奇里承认封闭宇宙模型将对物理学带来很多疑问,他说:“我不想说自己相信存在一个封闭宇宙,我保持中立观点,最终的研究结果将建立在可信度数据之上,在研究过程中我们必须非常谨慎,努力寻找出造成这个差异的具体原因。

”

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