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宇宙中的神秘未知物质:暗物质与暗能量

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-25

在我们宇宙的浩瀚空间中,发光的星体仅是一小部分可见物质。

实际上,绝大多数宇宙物质对我们来说是黑暗和神秘的。

这些主要包括两类:暗物质和暗能量,它们对于理解宇宙的本质至关重要。

暗物质:宇宙中的隐形巨人

暗物质的发现和特性:

暗物质最早由荷兰天文学家卡普顿于1922年提出,但直到1933年兹维基才提供了实验证据。

他通过观测后发座星系团中星系的运动速度,推断出存在大量的不可见物质,即暗物质​。

当代观测表明,宇宙中约85%的物质由暗物质组成,而常规物质仅占15%​​。

暗物质的性质仍然是一个谜。

它具有质量,能参与引力相互作用,但不参与电磁相互作用,即不发光​​。

暗物质不是由质子和中子构成的常规物质。

它代表了一种完全未知的新物质类型​​。

暗物质的最新研究进展

PandaX实验的突破:

实验概述:上海交通大学牵头的PandaX合作组进行了PandaX-4T液氙探测实验,这是一个深度分析暗物质电磁性质的尝试​​。

实验结果:通过深度分析新一代PandaX-4T液氙探测实验数据,团队给出了暗物质可能具有的电磁性质的国际最好测量结果​​。

技术细节:该实验是国际上首个运行的多吨级液氙探测实验,比同类的美国LZ实验和欧洲XENONnT实验提前一年多时间投入运行​​。

数据分析:PandaX-4T实验中未发现超出本底的暗物质信号。

例如,关于暗物质的电荷均方半径,实验中的观测数据与本底的统计涨落一致​​。

实验的意义:

测量成果:PandaX实验对暗物质电荷均方半径给出了国际首个实验上限,显著提升了对暗物质究竟有多暗的定量理解​​。

对比与发现:PandaX对暗物质其他电磁性质的测量也比之前国际最好结果提升了3-10倍​​。

暗能量:推动宇宙膨胀的神秘力量

暗能量的基本概念:

暗能量是一种弥散在宇宙中的能量形式,约占宇宙总能量密度的70%,并具有负压强,被认为是宇宙加速膨胀的主要驱动力​​。

在传统的宇宙学模型中,暗能量被视为一个恒定的宇宙学常数,但这一观点正受到挑战​​。

暗能量的最新研究进展

动力学暗能量的发现:

研究团队与成果:中国科学院国家天文台的研究团队发现了暗能量随时间演化的证据,这表明暗能量的本质可能不是爱因斯坦提出的宇宙学常数​​​​。

研究方法:赵公博领导的国际团队利用开发的暗能量重建方法,在3.5个标准差水平发现了暗能量状态方程随时间演化的证据​​。

宇宙的加速膨胀与暗能量:

暗能量的作用:宇宙的加速膨胀可能由占宇宙总能量密度70%且具有负压强的暗能量引起​​。

暗能量模型:暗能量的物理性质体现在其状态方程中。

科学家们提出了不同的暗能量模型,例如quintom动力学暗能量模型,与此次发现的证据更为吻合​​​​。

未来的研究展望:

大型巡天项目:赵公博提到,暗能量的动力学性质还需要下一代大型巡天观测的证认。

未来5至10年内的星系巡天项目将帮助人类更深入地了解暗能量​​。

总的来说,暗物质和暗能量是宇宙中的两大神秘成分。

它们的研究不仅挑战了现有的物理理论,也为我们提供了探索宇宙最深奥秘密的窗口。

尽管我们对这些未知物质的了解还很有限,但通过不断的科学探索,我们离揭开这些宇宙之谜又近了一步。

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

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