宇宙的起源是一个无可避免的问题,就像万事万物都有一个开端一样,宇宙也不例外。

在过去,牛顿曾认为宇宙的大小是恒定不变的。
然而,后来哈勃利用望远镜的观测发现,距离地球越远的星系远离地球的速度越快,这表明宇宙的大小是在不断膨胀的。
在上世纪90年代,对暗能量的研究揭示了宇宙膨胀的加速过程。
随着时间的推移,宇宙中的星系之间的距离将越来越大。
不论宇宙的大小如何变化,有一个明显的事实是,所有物质存在于宇宙的"空间之内"。
一旦我们意识到这一点,紧接着的问题就是:"空间之外是什么?"
目前科学界很少探讨这个问题,因为爱因斯坦的广义相对论告诉我们,光速是信息传递的上限。
宇宙从138.2亿年前的大爆炸开始诞生至今,一直以超光速的膨胀速度进行着。
根据哈勃望远镜的观测,距离地球465亿光年之外的星系是无法被观测到的。
这是因为那里的空间膨胀速度已超过了光速,这意味着那里的星系发出的光没有足够的时间到达地球。

我们所处的"可观测宇宙"半径约为465亿光年,直径约为930亿光年。
据天文学家保守估计,这个宇宙中可能存在着2000亿个星系,每个星系都像银河系一样,拥有数千亿颗恒星和数万亿颗行星。
对分布在各个行星上的智慧文明来说,他们所看到的宇宙也将是各不相同的。
假设现在有一个外星文明距离地球465亿光年,那么他们的天文学家将无法发现地球,因为地球已经超出了他们的光锥之外。
现代宇宙学理论认为,时间和空间都是从138.2亿年前的大爆炸瞬间开始存在的。
因此,作为时空中的一部分,我们无法走出时空范围去探索时空之外的奥秘。
这让人想起一句名言:"不识庐山真面目,只缘身在此山中"。
此外,宇宙之内的自然规律和研究方法是否适用于宇宙之外,这仍然是一个未知数。
因此,如果我们非要给宇宙之外下一个定义或描述,那就只能用一个词来形容——"混沌"。

除了传统的宇宙学之外,还有一些关于多元宇宙的理论存在。
例如,泡宇宙论认为,138.2亿年前塑造了我们宇宙的奇点大爆炸并不是唯一的大爆炸,也就是说大爆炸奇点不止一个,宇宙也不止一个。
因此,在我们的宇宙之外,还存在着其他的宇宙。
它们像泡泡一样悬浮在无尽的虚空中,每个宇宙都有自己独特的物理规律和初始条件。
这些多元宇宙的存在使得我们对宇宙的整体结构和起源有了更广阔的理解空间。
关于宇宙起源和宇宙之外的问题仍然存在很多未知和未解之谜。
科学家们通过观测、实验和理论推导不断努力,以期能够更深入地了解宇宙的起源和本质。
随着科技的进步和研究的深入,我们有望在未来对这些问题有更清晰的认识和回答。
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