人类文明在宇宙中的状况,与科幻情节相似,因为宇宙实在是"太安静了"。

在20世纪之前,天文学家普遍认为宇宙中只有一个星系,即银河系。
在这个"宇宙孤岛"的模型中,虽然也有一些人猜测外星文明的存在,但由于当时对太阳系的了解十分有限,因此并没有太多人像今天这样坚信外星文明的存在。
后来,天文学家确认了仙女座的星系身份,但受到传播技术的限制,大众对天文学的兴趣并不是很浓厚。
实际上,真正让天文学家以及整个人类认识到自己在宇宙中的孤独地位的,是哈勃望远镜在90年代开始拍摄的一组照片:哈勃深场系列。
1995年12月18日至28日,哈勃将其镜头对准大熊座的方向,拍摄了342张独立曝光影像,并最终合成了哈勃的第一张深空照片,"哈勃北部深空"。
在这张改变天文学的照片上,我们可以看到3000多个亮点,这些并非星星,而是像银河系一样拥有数千亿颗恒星的星系。
然而,这3000多个星系仅占全天区面积的2400万分之一。
因此,天文学家估计,可观测宇宙中星系的数量最低都有2000亿个。
尽管在这广阔的星系数量中,人类却始终未找到任何外星文明的踪迹。
或许是因为人类科技水平的限制,但考虑到宇宙已经存在138亿年,外星生命本应早就找到人类并访问地球了。
甚至,整个银河系都有可能被更高级的文明殖民。
理论上,我们周围应该充满了大量的外星生命。

然而,现实却是我们周围根本没有发现外星生命。
在刘慈欣的《三体》中,黑暗森林理论被用来解释费米悖论。
该理论认为,宇宙资源有限而文明扩张无度,每个高级文明在发现低级文明后,都会立即消灭对方。
而低级文明则会尽力隐藏自己,避免被高级文明发现后被摧毁。
因此,我们的宇宙看起来就如同"黑暗森林"一般空旷。
在现实中,对于费米悖论还有一种解释:太阳系和地球在宇宙中是非常特殊且独一无二的存在。
有人认为,人类之所以存在,完全是因为太阳系和地球本身的特殊性。
对于生命诞生而言,其他宇宙的条件很难满足。
太阳是一颗中等质量的黄矮星,其寿命为100亿年左右,为行星生命演化提供了足够的时间。
而地球从基础生命演化到人类花费了近40亿年,因此宇宙中其他那些质量更大、但寿命只有数亿年甚至数千万年的恒星,并不具备生命演化的条件。
除了太阳本身,太阳系行星的分布也很特殊。
内侧有四颗岩石金属行星,外侧有四颗气态巨行星。

质量最大的木星则起到了清道夫的作用,阻挡了系外小行星对内侧的攻击。
如果没有木星的存在,1994年的SL9彗星冲向地球时,可能就无法受到引力的影响而改变轨道。
此外,地球本身的条件也十分适合生命演化。
其质量维持着厚度合适的大气层和大气压,地球与太阳之间的距离保证了全球平均17℃的温度。
地球的磁场和臭氧层还阻挡了宇宙高能辐射,使其无法到达地面。
从太阳到行星再到地球本身,一系列的因素共同创造了地球生命和人类的诞生。
所有这些看似平凡的数据背后,都是为了让人类存在而产生的巧合。
然而,近年来随着天文学的进步,尤其是对系外行星的发现,真正坚信"太阳系和地球独一无二"的人已经越来越少了。
有人认为,人类之所以迟迟未能找到外星文明,是因为地球和太阳系就是一个"动物园",观察者们一直在隐蔽自己,默默观察人类文明。
这种观点提供了另一种有趣的解释。
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