回首宇宙的起源,我们发现它在138亿年前由一场神秘的奇点爆炸产生,接着漫长的亿万年里,宇宙渐渐冷却,同时各种基本粒子开始涌现。

这些粒子相互组合,创造了多彩多样的物质,随着引力的作用,它们汇聚成了我们今天所见的恒星和星系。
在星系之间,广袤的空间中存在着大量星际气体云。
然而,近来的一项观测结果却揭示了一个出人意料的情况,星系间的气体温度似乎比理论模拟的温度要高一些。
理论上,现今宇宙的温度应该趋于稳定,但似乎宇宙现在正处于一种微弱的 发热 状态。
科学家猜测,这个谜之热源可能与暗物质中的暗光子有关。
暗物质的概念首次提出可以追溯到上世纪30年代,当时瑞士天文学家Fritz Zwicky观测到星系内部的运动速度明显超出了根据可见质量计算的速度。
他提出,宇宙中可能存在一种不为人类所见的物质,这种物质通过引力影响星系的轨迹,被称为 暗物质 。
暗物质的真正本质依然未知,也不清楚它是如何诞生的。
尽管如此,通过研究恒星的运动以及星团内的星系运动,天文学家一致认为,暗物质在宇宙中占据着相当大的比例。
有一种假说认为,暗光子就是暗物质的一种形态。
这些暗光子对宇宙产生了一种微弱的加热效应,而在某些特殊条件下,它们可能会转化为常规粒子,同时释放额外的热量。
观测暗物质一直是一项极具挑战性的任务,因为暗物质几乎不与光发生相互作用,只能通过引力异常来推断其存在。

不过,暗光子有点不同,科学家认为,通过分析星系间氢气发射线中的莱曼-阿尔法森林,我们或许可以找到暗光子的蛛丝马迹。
在宇宙中,类星体是最明亮的天体之一,通常距离我们的太阳系非常遥远。
从类星体发出的光经过漫长的星际旅程才抵达地球。
在这个过程中,光子会遇到星系间物质,这些物质会吸收光子,产生一系列吸收线,特别是在氢的莱曼 发射线的短波侧会形成密集的吸收线群,被称为莱曼-阿尔法森林。
这些吸收线的产生原因在于光子穿越星系间的中性氢云团时,会遇到密度较大的中性氢云。
虽然大部分光子能够穿过而不受影响,但具有特定波长的光子会被吸收,导致光谱中出现缺失的吸收线。
这些光子在传播到地球的过程中会经过多个中性氢云团,同时由于宇宙在不断膨胀,这些云团的吸收线将发生红移,使吸收线出现在不同的波长上,形成一系列密集的吸收线。
当中性氢云团的温度较低时,产生的吸收线会呈细长的条纹,但当云团内部的粒子剧烈运动时,温度升高,吸收线则变得宽广。
通过观察这些吸收线的状态,科学家可以测量星际气体云的温度。
利用这种方法,研究人员对星际气体云的温度进行了测量,结果表明实际温度要高于计算机模拟的温度。
这显示出宇宙中存在一种未曾观测到的热源,而这一谜之热源很可能来自暗光子。
正常光子在宇宙中传播电磁力,创造电和光,但暗光子的性质截然不同。

暗光子可能携带一种未知的基本相互作用力,这种相互作用力运作在我们目前所熟知的尺度和空间之外。
尽管暗物质不易观测,但它们具有质量,也是力的传递者。
虽然它们与常规物质不发生相互作用,但却会与其他类型的暗物质粒子发生相互作用。
在特定条件下,这些暗光子可能会突然转化为低频光子,并与真正的常规光子混合在一起,表现出常规光子的特性,同时释放额外的热量。
通过计算机模拟宇宙的演化,研究人员发现,如果考虑暗光子的转化,这可以很好地解释观测到的星际气体温度,但这仅仅是一个猜想,还有其他合理的解释。
目前,我们对于暗物质几乎一无所知,但存在大量的证据表明它可能真实存在。
例如,根据理论,银河系外围恒星的公转速度应该比内部慢,才能保持星系的稳定。
然而,实际速度却明显高于预测值,如果没有暗物质的存在,银河系早已解体。
了解暗物质对人类来说是一个极大的挑战。
它可能像过去的 以太 一样不存在,也可能对宇宙的演化和人类理论产生深远影响。
正因如此,我们对宇宙中的这一奥秘充满了好奇和探索的决心。
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