宇宙的奥妙,无穷无尽,同样它也是给我们人类留下谜团最多的地方。

自科学诞生以来,我们人类从未停止过对宇宙的探索。
在浩瀚无垠的宇宙中,人类发现了许多不可思议的现象。
也尝试过用许多方法去探索外星人是否存在。
但终究没有任何发现。
如果地球人是宇宙中唯一存在的三维生物。
那么在如此浩瀚的宇宙,显得不是太浪费空间了吗?
大家好,今天我们来聊宇宙中几大未解之谜,也是我们人类可能永远都解不开的难题。
第一,黑洞内部。
提到黑洞,我们并不陌生,黑洞是整个宇宙中最强大的天体。
它可以将他周围的所有物质,全部都吸入到内部,就连光线在他周围经过的时候,都会被它吞噬,所以黑洞我们是无法直接观测到的。
黑洞的中心点引力无穷大,这个点也被称作是奇点。
假设一个宇航员不慎掉入到黑洞内部,并且他可以幸运地存活下来。
那么他将会看到不可思议的现象,在黑洞的周围,时间将会过得特别的快,一秒钟的时间,极有可能观测到外部上亿年的经历,爱因斯坦在狭义相对论里曾经提出:
一个物体的质量越大,那么在它周围的时间将会过得越慢。
时间是相对的,又因为黑洞的引力无穷的大,所以在它的周围,相对于外部的时间就会过得特别的慢。
因此宇航员就会感觉到外部的世界就像是电影快进了一样。
目前,我们人类对黑洞的认知极为有限。
被黑洞吸引到内部的物质去了哪里?
黑洞的内部,到底是什么样的景象?
它既然不遵循我们现在已知的物理法则,那么它里面的法则又是怎样的原理?
宇航员从黑洞的一面被吸入,那么在黑洞的另外一面会不会存在着一个出口?
这个出口又会不会可以穿越到另外一个宇宙?
黑洞和被称作是爱因斯坦罗森桥的虫洞有着怎样的联系?

相信每一个宇宙爱好者都想揭开这些谜团,2019年,人类首次拍摄到了距离我们5500万光年远的黑洞。
这一发现,也验证了爱因斯坦当年的推测。
因此,彭罗斯还获得了2020年的诺贝尔物理学奖。
第二,科学家所推测的白洞是否真的存在?
在科学取得巨大进步的今天,科学家利用天文望远镜观测到一个离奇的现象。
在遥远的宇宙深处,会频繁地出现无线电波爆发。
宇宙学家把这种现象称作是快速射电暴。
这种爆发出现的时间极为短暂,最长的维持时间只有短暂的几秒钟而已。
但是这些无线电波爆发出来的能量却大到了我们不敢想象。
有的甚至超出了自太阳诞生以来释放能量的总和。
2006年,NASA发现了一个无线电波爆发的案例,通过推测计算,它所释放出来的能量,甚至要超出整个银河系所释放出来能量总和的1000万倍以上。
大家试想一下,如此巨大能量的释放除了白洞,还会有谁?
白洞也是我们人类探测以来,释放能量最大的天体。
爱因斯坦曾经通过引力场方程式,成功地预言了黑洞。
并且他也预言过白洞的存在。
按照我们现在的物理法则看待白洞。
它的物理性质和黑洞完全相反。
黑洞是不断地往内部吸入物质,而白洞则是在一瞬间往外释放物质。
那么由此,我们就会产生一个疑问。
黑洞不断地往内部吸入物质和能量,那么白洞所释放出来的物质和能量,它又是来自于哪里?
是来自于另外一个平行宇宙,还是来自于他自身的内部?
黑洞的形成是由大质量的天体,在活跃度下降为零之后,不断坍缩形成的天体。
科学家推测,物极必反,白洞则是黑豆在发展到末期以后所表现出来的现象。
甚至就连宇宙大爆炸也是一个质量无穷大,密度无穷大,能量无穷大的白洞爆发之后形成的。
那么说到这里,有人可能会说,这完全就是一种无稽之谈,只是一种没有被证实的假想理论而已。
但是大家回顾爱因斯坦当年提出黑洞的时候,同样也是不被其他的科学家所认可。
就连彭罗斯在1965年发表爱因斯坦预言黑洞的论文,都是在55年以后的2020年,才获得的诺贝尔物理学奖,因此在宇宙中只要能想到的,就极有可能是真实存在的事情。
第三,暗物质和暗能量真的存在吗?
它们究竟是什么?在你平时忙碌工作的时候,极有可能有上百吨重的物质已经悄悄地穿过了你的身体。

但是我们平时无法感知到这些物质的出现。
宇宙学家通过现代观测手段发现,在整个宇宙中,我们所能看到的,触摸到的,所感知到的物质,仅仅只占,整个宇宙总质量的5%而已。
其余95%的物质不与我们这个宇宙中,任何实体物质发生干扰。
甚至对电磁力都不感兴趣。
它们是无色无味,超出了我们认知的物质。
我们唯一可以感受到它们存在的方法,只能通过重力效应,这就是科学家口中所说的暗物质,暗能量。
这个结论,让所有的科学家都感到震惊。
既然是这样,那么剩下的95%是以什么样的方式存在的?在它们的世界里是什么样子的?又遵循着什么样的物理法则?
在那个世界,有它们认知里的生命吗?
这会不会就是我们传说中的灵魂存在的世界?
当然,这只是我们人类的猜测。
相信只要我们通过重力效应可以感知到它的存在,在不久的未来,就一定会揭开暗物质的谜团。
第四,我们所存在的宇宙有意识吗?
罗杰彭罗斯曾经说过这样一句话。
在宇宙大爆炸产生的那一刻,诞生出我们现在这样的世界,概率仅有100亿的30次方分之一。
换句话说,让宇宙大爆炸发生100亿的30次方,仅会诞生一次我们这样的世界,这个概率是小得多么可怕,换个角度来思考,我们平时在上学的时候,学到的所有物理数学公式,他们每一个参数都极为精确。
只要任何一个参数发生变化,就不会诞生这个宇宙,不会诞生任何一个星球,更不会诞生出我们地球生命。
那么既然是这样夸张的小概率事件,凭什么我们就是如此幸运被生了出来?你现在看视频所用到的手机,是我们人类制造出来的。
也就是在有意识的前提下被生产。
但是如果没有人类的干扰,它永远都不会自然形成。
再反观我们整个宇宙,包括每一个天体,每一个生命。
就连病毒都比我们的手机要复杂,如果要说它们是自然形成的,并没有任何意识去干扰的话,那么手机前的你,会相信吗?
也许我们真的就是一个幸运儿。
好了,本期话题就到这里了,大家对这四个宇宙未解之谜,哪一个最感兴趣呢?大家的回答可能是暗物质,暗能量。
因为我们太思念我们去世的亲人了。
把大家的看法留在评论区,我们下期再会。
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