熵、暗能量與生命，或可由同一引力理論解釋

（圖源：AI/ScienceDaily.com）

一個多世紀(jì)以來，物理學(xué)始終存在一個看似無法調(diào)和的矛盾：

熱力學(xué)第二定律告訴我們，宇宙不斷走向更高的熵；

可現(xiàn)實(shí)中的宇宙，卻不斷誕生越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，最終甚至孕育出生命。

這兩者究竟如何同時成立？

最近發(fā)表于《物理評論D》（Physical Review D）的一篇研究顯示，一項(xiàng)新的量子引力理論試圖給出一個大膽答案——

或許，熵、暗能量，甚至生命，本就屬于同一種物理過程。

本文2500多字，目錄如下：

1. 宇宙最大的熵難題

2. 從熵重新理解引力

3. 黑洞曾揭示引力與熱的聯(lián)系

4. 暗能量或許也能自然出現(xiàn)

5. 宇宙膨脹如何制造復(fù)雜性

6. 引力與時空或?qū)儆跓崃W(xué)

發(fā)表于《物理評論D》（Physical Review D）的研究截圖

現(xiàn)代物理學(xué)始終面臨著一個最棘手的問題之一：

如果宇宙始終遵循熱力學(xué)第二定律——整體熵不斷增加，那么為什么它卻能夠不斷孕育出越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從星系、恒星、行星，一直到生命？

來自英國倫敦瑪麗女王大學(xué)的一項(xiàng)最新理論研究，提出了一種可能的解釋。

這項(xiàng)研究由倫敦瑪麗女王大學(xué)數(shù)學(xué)教授吉內(nèi)斯特拉·比安科尼（Ginestra Bianconi）領(lǐng)導(dǎo)。她嘗試?yán)靡环N名為熵引力（Gravity from Entropy）的量子引力理論，解釋宇宙為何能夠在總熵持續(xù)增加的同時，不斷演化出越來越復(fù)雜的有序結(jié)構(gòu)。

1.

宇宙最大的熵難題

阿爾伯特·愛因斯坦曾評價：

“熱力學(xué)第二定律在自然規(guī)律中占據(jù)著獨(dú)一無二的地位。”

這句話體現(xiàn)了他對這一物理定律的看法：它是整個物理學(xué)中最可靠、最基本的規(guī)律之一。

熱力學(xué)第二定律指出，一個孤立系統(tǒng)的總熵通常會隨著時間不斷增加。

人們經(jīng)常把熵稱作“混亂程度”，但更準(zhǔn)確地說，熵描述的是一個系統(tǒng)中能量和信息能夠以多少種方式進(jìn)行分布。

也正因?yàn)槿绱耍@一定律給宇宙學(xué)帶來了一個長期未解的難題。

科學(xué)界普遍認(rèn)為，宇宙誕生之初處于一個低熵狀態(tài)，隨后不斷向更高熵演化。

然而，在這一過程中，物質(zhì)卻不斷形成越來越復(fù)雜、越來越有組織的結(jié)構(gòu)：最初形成星系，隨后誕生恒星，再進(jìn)一步形成行星，最終出現(xiàn)生命。

如何解釋局部復(fù)雜性的不斷增長，同時又不違背整個宇宙熵持續(xù)增加這一基本規(guī)律，至今仍然沒有得到令人滿意的答案。

2.

從熵重新理解引力

該研究將這一問題放到了熵引力理論框架下重新審視。

熵引力是一種關(guān)于量子引力的理論方案，它借助統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法，把引力看作一種由時空微觀結(jié)構(gòu)自然涌現(xiàn)出的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)理論通常把引力理解為一種基本相互作用，或者廣義相對論中的時空彎曲。

而熵引力則提出，引力更深層的來源，可能來自量子尺度上的信息與熵。

比安科尼的分析發(fā)現(xiàn)了一個可能非常關(guān)鍵的區(qū)別。

研究顯示：

雖然整個宇宙的總熵始終隨著時間不斷增加，但隨著宇宙持續(xù)膨脹，單位體積內(nèi)的熵卻在不斷下降。

這一結(jié)果意味著，一個新的解釋思路或許成為可能。

也就是說，即使整個宇宙的總熵一直增加，局部區(qū)域仍然能夠不斷形成越來越有序、越來越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而這一過程并不會違反熱力學(xué)第二定律。

3.

黑洞曾揭示引力與熱的聯(lián)系

引力與熱力學(xué)之間存在深刻聯(lián)系，并不是一個新觀點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代，物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的開創(chuàng)性工作，首次建立了兩者之間的重要聯(lián)系。

他們證明，黑洞不僅具有熵，而且還能釋放熱輻射。

這些發(fā)現(xiàn)徹底改變了科學(xué)界對黑洞的認(rèn)識，也揭示了時空、信息、引力與熱之間存在著比人們此前認(rèn)識更深層的聯(lián)系。

熵引力理論正是在這一思想基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。

按照熵引力理論，引力來源于兩種時空度規(guī)之間的信息張力。

所謂度規(guī)，是描述時空距離和幾何結(jié)構(gòu)的一種數(shù)學(xué)工具。

其中一種度規(guī)對應(yīng)真實(shí)的物理時空；另一種則由物質(zhì)場以及時空曲率共同決定。

熵引力認(rèn)為，引力正是這兩種度規(guī)之間信息差異所產(chǎn)生的結(jié)果。

這種描述最終通過熵引力理論中的拉格朗日量表達(dá)出來，而這一拉格朗日量由兩種度規(guī)之間的量子幾何相對熵定義。

4.

暗能量或許也能自然出現(xiàn)

研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在不同物理?xiàng)l件下，熵引力理論會表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。

當(dāng)能量較低、時空曲率較弱時，熵引力方程能夠恢復(fù)廣義相對論的結(jié)果。

但當(dāng)進(jìn)入更極端的條件后，它開始給出與廣義相對論不同的預(yù)測。

其中一個最重要的結(jié)果，是理論自然產(chǎn)生了一項(xiàng)隨時間不斷變化的暗能量貢獻(xiàn)。

由于這一暗能量項(xiàng)會動態(tài)演化，因此未來有望通過宇宙學(xué)觀測進(jìn)行檢驗(yàn)，而不僅僅停留在理論層面。

為了分析這些熱力學(xué)效應(yīng)，研究采用了弗里德曼—羅伯遜—沃克宇宙時空模型。

這是現(xiàn)代宇宙學(xué)最常使用的數(shù)學(xué)模型之一，用于描述一個在大尺度上均勻膨脹的宇宙。

研究結(jié)果顯示，在這一框架下，時空局部幾何結(jié)構(gòu)滿足一種熱力學(xué)第一定律。

其中：

• 新產(chǎn)生的暗能量項(xiàng)對應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)部能量；

• 量子幾何相對熵對應(yīng)單位體積內(nèi)的局部熵；

• 與有效溫度和壓力相對應(yīng)的物理量，也都會自然出現(xiàn)在理論之中。

這些結(jié)果共同表明，熵引力理論背后的量子態(tài)，本身可能具有一種內(nèi)在的熱力學(xué)性質(zhì)。

5.

宇宙膨脹如何制造復(fù)雜性

研究還強(qiáng)調(diào)了另一個關(guān)鍵因素：局部體積元素。

這一量由真實(shí)物理時空的度規(guī)決定。

隨著宇宙不斷膨脹，其總體積持續(xù)增加。

按照熵引力理論，正是這一體積增長，使整個宇宙的總熵不斷提高；與此同時，每一個單位體積中的量子幾何相對熵卻會逐漸下降。

換句話說：

宇宙整體擁有越來越多的熵，但這些熵被越來越廣泛地分散到不斷擴(kuò)張的空間之中。

這種不同于傳統(tǒng)直覺的熱力學(xué)行為，或許正是解釋局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)為何能夠不斷形成的重要原因。

它意味著，在宇宙整體不斷走向更高熵狀態(tài)的同時，局部區(qū)域仍然可以演化出高度有序的結(jié)構(gòu)，并最終孕育出生命。

6.

引力與時空或?qū)儆跓崃W(xué)

這項(xiàng)研究支持了一種可能性：

引力與時空不僅具有幾何屬性，也具有信息論和熱力學(xué)層面的基礎(chǔ)。

如果這一解釋最終成立，將為研究引力、量子理論、暗能量、宇宙演化以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)起源之間的關(guān)系，提供一種全新的理論框架。

當(dāng)然，這一理論目前仍處于早期發(fā)展階段。

研究人員認(rèn)為，它有望推動人們進(jìn)一步建立一個統(tǒng)一框架，把廣義相對論、熱力學(xué)、量子力學(xué)以及宇宙學(xué)聯(lián)系起來。

比安科尼表示：

“這項(xiàng)工作展示了熵引力理論如何應(yīng)對一個極具挑戰(zhàn)性的問題：如何協(xié)調(diào)熱力學(xué)第二定律與宇宙復(fù)雜性涌現(xiàn)之間的關(guān)系。這些結(jié)果有望為研究一個長期存在的難題開辟新的方向——如何將宇宙不可逆性的起源、復(fù)雜結(jié)構(gòu)乃至生命的出現(xiàn)，與最基本的引力動力學(xué)統(tǒng)一起來。”

參考資料：

Queen Mary University of London. New quantum gravity theory links entropy, dark energy, and life. ScienceDaily, July 20, 2026

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