（图源：AI/ScienceDaily.com）
一个多世纪以来，物理学始终存在一个看似无法调和的矛盾：
热力学第二定律告诉我们，宇宙不断走向更高的熵；
可现实中的宇宙，却不断诞生越来越复杂的结构，最终甚至孕育出生命。
这两者究竟如何同时成立？
最近发表于《物理评论D》（Physical Review D）的一篇研究显示，一项新的量子引力理论试图给出一个大胆答案——
或许，熵、暗能量，甚至生命，本就属于同一种物理过程。
本文2500多字，目录如下：
宇宙最大的熵难题
从熵重新理解引力
黑洞曾揭示引力与热的联系
暗能量或许也能自然出现
宇宙膨胀如何制造复杂性
引力与时空或属于热力学
发表于《物理评论D》（Physical Review D）的研究截图
现代物理学始终面临着一个最棘手的问题之一：
如果宇宙始终遵循热力学第二定律——整体熵不断增加，那么为什么它却能够不断孕育出越来越复杂的结构，从星系、恒星、行星，一直到生命？
来自英国伦敦玛丽女王大学的一项最新理论研究，提出了一种可能的解释。
这项研究由伦敦玛丽女王大学数学教授吉内斯特拉·比安科尼（Ginestra Bianconi）领导。她尝试利用一种名为熵引力（Gravity from Entropy）的量子引力理论，解释宇宙为何能够在总熵持续增加的同时，不断演化出越来越复杂的有序结构。
1.
宇宙最大的熵难题
阿尔伯特·爱因斯坦曾评价：
“热力学第二定律在自然规律中占据着独一无二的地位。”
这句话体现了他对这一物理定律的看法：它是整个物理学中最可靠、最基本的规律之一。
热力学第二定律指出，一个孤立系统的总熵通常会随着时间不断增加。
人们经常把熵称作“混乱程度”，但更准确地说，熵描述的是一个系统中能量和信息能够以多少种方式进行分布。
也正因为如此，这一定律给宇宙学带来了一个长期未解的难题。
科学界普遍认为，宇宙诞生之初处于一个低熵状态，随后不断向更高熵演化。
然而，在这一过程中，物质却不断形成越来越复杂、越来越有组织的结构：最初形成星系，随后诞生恒星，再进一步形成行星，最终出现生命。
如何解释局部复杂性的不断增长，同时又不违背整个宇宙熵持续增加这一基本规律，至今仍然没有得到令人满意的答案。
2.
从熵重新理解引力
该研究将这一问题放到了熵引力理论框架下重新审视。
熵引力是一种关于量子引力的理论方案，它借助统计力学的方法，把引力看作一种由时空微观结构自然涌现出的现象。
传统理论通常把引力理解为一种基本相互作用，或者广义相对论中的时空弯曲。
而熵引力则提出，引力更深层的来源，可能来自量子尺度上的信息与熵。
比安科尼的分析发现了一个可能非常关键的区别。
研究显示：
虽然整个宇宙的总熵始终随着时间不断增加，但随着宇宙持续膨胀，单位体积内的熵却在不断下降。
这一结果意味着，一个新的解释思路或许成为可能。
也就是说，即使整个宇宙的总熵一直增加，局部区域仍然能够不断形成越来越有序、越来越复杂的结构，而这一过程并不会违反热力学第二定律。
3.
黑洞曾揭示引力与热的联系
引力与热力学之间存在深刻联系，并不是一个新观点。
20世纪70年代，物理学家雅各布·贝肯斯坦和斯蒂芬·霍金的开创性工作，首次建立了两者之间的重要联系。
他们证明，黑洞不仅具有熵，而且还能释放热辐射。
这些发现彻底改变了科学界对黑洞的认识，也揭示了时空、信息、引力与热之间存在着比人们此前认识更深层的联系。
熵引力理论正是在这一思想基础上继续发展。
按照熵引力理论，引力来源于两种时空度规之间的信息张力。
所谓度规，是描述时空距离和几何结构的一种数学工具。
其中一种度规对应真实的物理时空；另一种则由物质场以及时空曲率共同决定。
熵引力认为，引力正是这两种度规之间信息差异所产生的结果。
这种描述最终通过熵引力理论中的拉格朗日量表达出来，而这一拉格朗日量由两种度规之间的量子几何相对熵定义。
4.
暗能量或许也能自然出现
研究进一步发现，在不同物理条件下，熵引力理论会表现出不同的性质。
当能量较低、时空曲率较弱时，熵引力方程能够恢复广义相对论的结果。
但当进入更极端的条件后，它开始给出与广义相对论不同的预测。
其中一个最重要的结果，是理论自然产生了一项随时间不断变化的暗能量贡献。
由于这一暗能量项会动态演化，因此未来有望通过宇宙学观测进行检验，而不仅仅停留在理论层面。
为了分析这些热力学效应，研究采用了弗里德曼—罗伯逊—沃克宇宙时空模型。
这是现代宇宙学最常使用的数学模型之一，用于描述一个在大尺度上均匀膨胀的宇宙。
研究结果显示，在这一框架下，时空局部几何结构满足一种热力学第一定律。
其中：
新产生的暗能量项对应系统的内部能量；
量子几何相对熵对应单位体积内的局部熵；
与有效温度和压力相对应的物理量，也都会自然出现在理论之中。
这些结果共同表明，熵引力理论背后的量子态，本身可能具有一种内在的热力学性质。
5.
宇宙膨胀如何制造复杂性
研究还强调了另一个关键因素：局部体积元素。
这一量由真实物理时空的度规决定。
随着宇宙不断膨胀，其总体积持续增加。
按照熵引力理论，正是这一体积增长，使整个宇宙的总熵不断提高；与此同时，每一个单位体积中的量子几何相对熵却会逐渐下降。
换句话说：
宇宙整体拥有越来越多的熵，但这些熵被越来越广泛地分散到不断扩张的空间之中。
这种不同于传统直觉的热力学行为，或许正是解释局部复杂结构为何能够不断形成的重要原因。
它意味着，在宇宙整体不断走向更高熵状态的同时，局部区域仍然可以演化出高度有序的结构，并最终孕育出生命。
6.
引力与时空或属于热力学
这项研究支持了一种可能性：
引力与时空不仅具有几何属性，也具有信息论和热力学层面的基础。
如果这一解释最终成立，将为研究引力、量子理论、暗能量、宇宙演化以及复杂结构起源之间的关系，提供一种全新的理论框架。
当然，这一理论目前仍处于早期发展阶段。
研究人员认为，它有望推动人们进一步建立一个统一框架，把广义相对论、热力学、量子力学以及宇宙学联系起来。
比安科尼表示：
“这项工作展示了熵引力理论如何应对一个极具挑战性的问题：如何协调热力学第二定律与宇宙复杂性涌现之间的关系。这些结果有望为研究一个长期存在的难题开辟新的方向——如何将宇宙不可逆性的起源、复杂结构乃至生命的出现，与最基本的引力动力学统一起来。”
参考资料：
Queen Mary University of London. New quantum gravity theory links entropy, dark energy, and life. ScienceDaily, July 20, 2026你可能还想知道：