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

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

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.

根据相对论，只需要29年时间，就能飞到250万光年外的仙女座？

按照相对论，在一个理想的飞行模型里，你可能只需要经历二十九年。

但代价是，等你抵达目的地，地球已经过去了大约两百五十万年。

你出发时认识的所有人，都不可能再等到你的消息。

你以为自己只是出了一趟远门，实际上，你已经离开了属于自己的整个时代。

这到底是怎么算出来的？ 先抬头看看夜空。

在足够黑暗的地方，你有机会看见一小团模糊的光。

它看起来甚至不像一颗清楚的星星，却是银河系附近的另一个庞大星系，仙女座。

它距离我们大约两百五十万光年。

你现在看到的光，是两百五十万年前出发的。

那时候，地球上还没有今天这样的城市，也没有人在屏幕前讨论怎么去另一个星系。

这些光一路飞过来，我们的文明才在最后很短的一段时间里出现。

可光能过来，人能过去吗？ 如果按照旅行者一号每秒大约十七公里的速度，把这段距离直接除过去，答案是四百多亿年。

注意，这只是一道不考虑目的地运动的距离算术。

可这个数字已经足够让人失去耐心。

它比宇宙现在的年龄还长好几倍。

你给飞船多装几个发动机，能解决吗？ 问题恰恰从这里开始。

飞船要加速，就需要能量。

如果靠自己携带燃料推进，你带上去的燃料也有重量，也需要被加速。

为了推动更多燃料，你又得携带新的燃料。

你越想飞快，飞船就越容易被自己的补给拖住。

即使解决了发动机，你还得解决食物、空气、设备维修，以及漫长航程里的辐射。

最后，还有一个最不好解决的东西。

你的寿命。

面对两百五十万光年，人的一辈子短得几乎可以忽略。

所以这趟旅行看上去没有任何机会。

但相对论在这里，留下了一道非常奇怪的缝隙。

我们平时习惯觉得，无论你站在地上，还是坐在飞船里，一年就是一年。

大家的钟虽然摆在不同地方，走过的时间应该差不多。

可速度接近光速以后，这个直觉就不管用了。

从地球的参考系来看，高速飞船上的钟会走得更慢。

这种变化影响的并不只是手表。

你的心跳、身体里的化学反应，以及你经历的衰老，都要一起算进去。

而你自己不会觉得生活突然变成了慢动作。

你照样吃饭、睡觉，觉得每一天都很正常。

这也不是为了星际旅行临时编出来的设定。

时间膨胀已经在粒子和精密时钟的实验里被反复检验。

不过，别急着高兴。

把飞船开到光速的百分之九十九，听上去已经快得吓人，可对于仙女座这样的距离，依然远远不够。

哪怕先忽略加速和减速，按这个速度匀速飞行，你在船上也要经历三十多万年。

所以，“接近光速”这四个字，里面还藏着一道深不见底的鸿沟。

那么，二十九年又是从哪里来的？ 现在假设，你有一艘现实中还造不出来的飞船。

它能够持续加速，而且你在船上感受到的加速度，大约相当于站在地球表面时的重力。

你可以踩着地板生活，不需要一直漂在空中。

前半程，飞船朝仙女座持续加速。

到了中点，把推进方向调过来，后半程持续减速，争取抵达时停下来。

在忽略燃料、辐射等工程困难的理想模型里，算出来的结果是，你在飞船上大约经历二十九年。

你二十岁出发，到达时可能还不到五十岁。

你没有超过光速，也没有钻进虫洞。

从高速旅行者的参考系来看，沿飞行方向测量的距离会缩短；从地球的参考系来看，你的钟积累的时间更少。

同一趟旅行，两边记录的时间，可以相差到这种程度。

可这并不意味着，你替地球省下了两百五十万年。

地球那边，仍然过去了大约这么久。

这是这趟旅行最残酷的地方。

你可以在自己的寿命里赶到另一个星系，却不能让故乡停在出发那天。

就算你立刻发回一句“我到了”，消息还得以光速往回走。

等它抵达地球，又是一段百万年的等待。

跨星系旅行，连报平安都成了一件跨越时代的事。

而现实的难题，比这个结局还要靠前。

要让一艘飞船长期维持这样的加速，需要极其庞大的能源。

速度越逼近光速，继续提速需要付出的能量就越惊人。

而你还得把减速的账一起算上。

否则，你只是高速冲过仙女座，根本没有办法留下来。

接着，原本看起来空荡荡的太空，也会变得危险。

稀薄的气体、微小的尘埃，在极高的相对速度下撞上船体，都可能带来严重破坏。

迎面而来的光，也会因为蓝移变得更高能。

你想增加防护，就得增加重量。

重量一上去，推进它所需要的能量又跟着增加。

数学允许我们计算这趟旅程，不代表工程师已经有了制造飞船的办法。

那有没有捷径？ 比如科幻电影里的曲速飞行，或者连接两个地方的虫洞。

这些想法很迷人，但目前都没有成为可以载人出发的技术。

我们不能把一个理论设想，直接当成已经存在的宇宙高速公路。

也许最先跨越星系的，会是我们制造的机器。

它不需要呼吸，不需要食物，可以省去大量维持人类生存的设备。

但机器同样需要能源、防护和漫长的可靠运行，距离也不会因为乘客换了身份就自动消失。

所以，人类能不能抵达仙女座？ 用今天的技术，做不到。

相对论告诉我们的，是一个更微妙的答案：两百五十万光年的距离，不一定要求旅行者亲自活上两百五十万年。

可就算有一天，我们终于造出了那艘飞船，出发前仍然有一个问题要想清楚。

你愿不愿意用二十九年的人生，换一个再也回不到原来时代的未来？ 到时候，舷窗外是你第一次看见的仙女座。

而你身后的银河系里，曾经那个等你回家的世界，已经过去了两百五十万年。