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宇宙有边界吗?爱因斯坦:有边界,但人类可能永远无法抵达

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-15

现代宇宙学始于上世纪初

在科学家的不断深入研究下,有关宇宙的谜题渐渐清晰,但包括爱因斯坦在内的一众物理学家在一开始都认为宇宙是静止且永恒的,时间和空间都没有尽头。

直到1929年,美国天文学家埃德温哈勃发现所有星系都在互相远离,它们并非是静止不动的。

结合观测事实和相关研究,人们这才认识到宇宙不是永恒的,同地球上的万物一样,宇宙也有始有终。

但宇宙是否存在边界呢?

要探索宇宙的边界,就要从能够观测到的宇宙谈起,由于光在宇宙中充当着信使的角色,且光的速度是恒定的,所以通过光到达地球的时间就可以推算出地球与天体之间的距离,比如地月距离测定就是靠激光来完成的。

对于那些系外恒星和星系们,天文学界采用的是光谱测距,因为恒星表面光的颜色不是一成不变的,而是会随着时间的推移改变颜色。

天文学家可以基于它们的颜色,推算出恒星从诞生起共发出了多少能量,通过比较恒星的真实亮度和从地球看过去的亮度差异,推算出它们到地球的大概距离。

然而对宇宙来说,光速还是太慢了

每秒30万公里的光速,根本不足以将信息传递到可观测宇宙的每个角落,因此人类永远也无法看到宇宙的全貌,此外由于宇宙时空的超光速膨胀,145亿光年外的星系退行速度就正式超过光速了,所以超过这个距离的星系就等同于和人类失联。

宇宙诞生138.2亿年后的今天,能被人类文明到达并联系上的星系,只占了可观测宇宙内星系总量的3%,未来随着宇宙空间的加速膨胀,这一占比还会继续下降。

直径930亿光年的可观测宇宙,只是目前我们能看到的宇宙而已,并不是真实宇宙的边缘,在我们看不见的黑暗之处宇宙仍在扩张,而且扩张的速度远远超过光速,所以说宇宙并不存在边界,至少不存在观测意义上的边界。

从可观测宇宙向下逐级放大,我们会看到这样一副景象:

在百亿到十亿光年的尺度上,超星系团会成为宇宙长城的节点,绵延几十亿上百亿光年的宇宙长城组成的网状结构,被占比近七成的暗能量分割。

将视野缩小十倍,距离拉到了1亿光年,中心密集的星系开始变得清晰起来,银河系正位于拉尼亚凯亚超星系团内的室女座超星系团中。

1000万光年尺度下,本星系团和本星系群开始显现出来,直径18万光年的银河系基本轮廓也能隐约辨认出来。

百万光年到十万光年尺度上,银河系将成为视野主体,我们的太阳系就位于其中的猎户座旋臂上,10光年到1光年尺度上,太阳将和周围恒星一起置身于本地泡中,这个尺度再往下就是渺小如尘埃般的地球了。

根据爱因斯坦的广义相对论

我们宇宙的最终形状很可能跟地球类似,属于一个有界无边的球体,具体来说是一个闭合的四维超球体,因此就像轮船无法离开地球,只能不断回到原点一样,未来人类驾驶飞船一直朝一个方向飞,最后大概率也会回到起点,因为不论是人类还是飞船都是三维物体。

就像离开地球必须用火箭在另一个方向发力一样,未来人类想跳出目前的三维宇宙亲眼看见宇宙的全貌或者说边界,也得先进入四维空间才行。

然而针对四维,人类目前还一无所知

爱因斯坦晚年研究的大统一理论如果成功,如果真把四大基本力融合到一个框架内,找到了宇宙的内在相似性,那么也许人类真的能突破维度桎梏进入高维空间,进而看到宇宙真实的边界形状。

可惜爱因斯坦直到去世也未能完成他的理论,更可惜的是,直到今天物理学界也始终没再出现类似爱因斯坦这样的物理学家。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

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.

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