【千问百科解读】

这张照片拍摄于2012年7月31日,由斯坦福实验室提供。
展示的是工作人员正在LUX实验设施的顶部开展工作。
如果一切顺利的话,该项实验获得的结果或将帮助解答长期以来困扰人们的有关宇宙及其起源的谜团
据国外媒体报道,科学家们正计划在美国南达科他州一座废弃的金矿内开展暗物质的探测。
近期他们表示这项构思精妙的实验项目已经接近准备就绪,预计明年2月份便可以开始投入观测工作。
这项被认为是全世界迄今灵敏度最高的暗物质探测实验被安排在距离地表下方将近1英里的深处,位于一个灌满7万加仑(约合264立方米)水的水池之中。
这样做是为了最大限度的将可能造成干扰的宇宙射线粒子屏蔽在外,从而提升对潜在暗物质粒子的探测灵敏度。
科学家们周一表示,如果一切顺利的话,该项实验获得的结果或将帮助解答长期以来困扰人们的有关宇宙及其起源的谜团。
哈利·尼尔森(Harry Nelson)是美国加州大学生芭芭拉分校的一位物理学教授,同时也是这项被称作"大型地下氙实验"(LUX)的项目的首席科学家。
他说:"我们可能会有令人兴奋的发现。
我们所在的这一领域的一项残酷现实便是做什么都很贵,因此我们只能选择做那些我们认为是最为重要的实验。

"
此次进行的这项实验同样不便宜,其耗资高达1000万美元。
但是就和今年早些时候在瑞士的科学家们发现有"上帝粒子"之称的希格斯玻色子一样,发现暗物质粒子的消息同样将会震动整个科学界。
由于它们具有引力效应,科学家们得以知道暗物质的存在。
然而和传统意义上的物质或反物质不同,到目前为止人们还未能实际探测到它们。
整个宇宙中常规物质大约仅占到4%左右,暗物质则占了宇宙组成的大约25%。
宇宙中剩余的大部分空缺由暗能量填充,这是另外一个巨大的谜团。
在南达科他州开展的这项研究工作可以追溯到2003年,当时科学家们在这里的Homestake金矿开展的实验取得了很好的成果。
科学家们随后提出了需求,终于在今年7月份,在多年的经费筹措和谋划之后,LUX探测器被送进了这里的"斯坦福地下研究设施",这一研究站位于地下4850英尺(约合1478米)深处。
这里是一个废弃的矿井,1876年淘金热时这里曾经是矿工们通行的巷道。
工作人员们花费两天时间才将这座电话亭般大小的探测器安放到位。
在这里,探测器被进一步和宇宙射线隔绝开来。
它被置入一个大型超洁净水池之中。
杰里米·莫克(Jeremy Mock)是加州大学戴维斯分校的一名研究生,他已经在LUX实验项目上工作超过5年时间。

他说:"建设的阶段已经接近尾声,现在开始进入调试阶段,这就意味着我们开始在地下对系统进行操作了。
"
这个地下储水池尺寸巨大,高20英尺(约合6.1米),直径25英尺(约合7.6米)。
将精密的探测器缓缓的降至水池底部的过程花费了整整两个月的时间。
科学家们目前正在努力完成最后的管路铺设工作,以便让探测器中的氙保持尽可能高的纯度。
在探测器内部充满了液态的和气态的氙,这些氙会被不断地进行循环,并通过一台净化器进行净化,非常像病人进行血液透析治疗的过程。
科学家们这样做是为了尽最大可能消除氙中的杂质以便提升探测精度。
尼尔森介绍说,去除水和氙中的杂质可以帮助排除可能造成假警报的干扰信号源。
从而提升对暗物质探测的灵敏度。
他将这一实验比作夏洛克·福尔摩斯的破案方法——排除已知,寻求未知。
他说:"一旦开始取得数据,我们还将需要一到两个月的时间才能将探测器的精度提升至‘最灵敏’级别。
"在那之后,科学家们期盼着能开始看到一些他们最希望看到的东西:某些未知的东西
以上就是关于千米地下寻找暗物质:或破解宇宙起源 的全部内容,
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.
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