你知道宇宙最大的神奇是什么吗？要回答这个问题，我们就得从宇宙学的基础开始。
宇宙学是对整个宇宙的研究，并且延伸至探讨人类在宇宙中的地位。
再细分下去，我们会进入物理宇宙学的领域，这是研究宇宙大尺度结构和宇宙形成及演化等基本问题的学科，天体物理学在这门学科的发展中起到了核心作用。
那么，如果我们想创造出一个宇宙，需要哪些东西呢？我们所知的宇宙是由两种基本成分和一种可选成分构成的，其中大约25%为暗物质，70%为暗能量。
暗物质是一种完全看不见的东西，无论其本质到底是什么，它都不与光相互作用。
直到现在，科学家依然不知道暗物质是由什么构成的，而另一方面，通过引力效应，以及与其他物质的相互作用，我们又明确知道暗物质的存在。
除了暗物质，我们还需要大量的暗能量，这种东西就更加神奇了。
在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间、增加宇宙膨胀速度的能量形式。
每一天，宇宙都在以更快的速度变得变大，而暗能量假说是当今对宇宙加速膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。
科学家猜测暗能量与时空本身的真空有关。
换句话说，如果你有一个没有任何物质和辐射的空盒子，那这个盒子实际上就充满了暗能量。
在这个猜测以外，我们对暗能量的了解相当贫乏。
对于我们已知的宇宙而言，只要有足够的暗物质和暗能量，我们就可以占据宇宙大部分古代中95%的内容。
那么，那些可选的成分呢？这些就是普通物质了，即宇宙学家所谓的“重子”——如质子和中子——物质。
这些物质组成了原子和分子，进而组成了行星、太阳和星系物质，以及我们人类本身。
在宇宙中，所有可见的物质其实都不甚主要，但对人类而言，这些物质的存在就是一切。
黑暗的网络
这就是当今的宇宙：少量的普通物质，大量的暗物质和暗能量。
暗能量作用于时空结构本身，呈现为一种均匀的负压力，可以将宇宙的边缘撕开，导致时空膨胀；
但除此之外，暗能量并没有真正参与到日常的宇宙生活中。
暗物质聚集在一起，形成一个巨大的复杂网络，称为“宇宙网”。
科学家认为，宇宙中存在巨大的暗物质球体，直径超过一百万光年。
在这些球体之间由伸展的暗物质纤维连接着。
宇宙中还有着令人难以置信的“沙漠”，即所谓的宇宙空洞——里面几乎什么都没有。
然而，除了提供宇宙结构的骨架之外，暗物质其实没有做其他任何事情。
毕竟，暗物质不能与光相互作用，只是存在于宇宙中而已。
少量的普通物质被困在暗物质网络中。
在星系外围，有着被称为暗物质晕的神奇结构，将星系包围其中，就如同包围太阳的太阳圈。
这些巨大的球体结构中通常包含多个星系，称为星系团。
宇宙网是自然界中发现的最大的单一结构，充满了整个可观测宇宙也许在可观测宇宙之外还有一些，但根据定义，我们无法看得更远。
你可能会问，可观测宇宙有多大？目前估计，可观测宇宙的直径约为900亿光年，但科学家认为，宇宙的真实尺寸可能要大得多。
背后的故事
那么，宇宙是怎么变成今天的样子的？怎么让所有这些暗物质排列在一个巨大的宇宙网中？一百年前，当科学家们还不知道暗物质原因是什么时，他们取得了一个了不起的发现：宇宙正在膨胀。
平均而言，星系之间的距离每一天都在变得更远；
也就是说，偶尔发生星系碰撞是完全可能的。
这也意味着，过去的宇宙与现在是截然不同的，时间越往前，宇宙就越不一样。
宇宙学家可以将时钟倒回，追溯至宇宙中的一切都被挤压成一个点的时候：137.7亿年前。
当时整个可观测的宇宙可能只有桃子那么大，而温度超过一千万亿度。
这是多么了不起的认识！地球上的我们如何可能知道宇宙中发生过如此剧烈的变化？很显然，科学家之所以可以这么说，是因为他们发现了证据。
我们知道，如今的宇宙非常大，而过去的宇宙非常小，它那时的温度肯定会比现在高得多因为本质上同样的东西都被塞进了一个小得多的体积。
在宇宙古代的某个阶段，整个宇宙会呈现等离子体的状态，微小的电子可以自由活动。
但到了某个临界点上，宇宙一定会变得足够大，温度足够低，从而能形成第一批原子，并在此过程中释放出大量白热辐射。
这种辐射一直持续到今天，使宇宙沉浸在某种不那么强烈的微波辐射中。
今天我们可以用微波望远镜看到这些微波辐射，这也是迄今为止宇宙中最大的单一光源。
它们是大爆炸的遗迹，在天空中夜复一夜地存在着。
没错，正是普通物质释放了这些辐射。
因此也可以说，即使普通物质只占据了宇宙的一小部分，但仍然非常主要。
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
