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浩瀚的宇宙是由哪些物质组成的你了解暗物质和暗能量吗?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-26

宇宙是由时间、空间、物质组成的,科学家通过望远镜观察到最古老的太阳光谱,测得其年龄为132亿年,宇宙年龄肯定超过太阳年龄,科学家经过长期的测量和修正,并且结合宇宙微波背景辐射的研究,认为精准的宇宙年龄为138.2亿年;

由于宇宙在加速膨胀,经过计算得到宇宙可视范围为直径930亿光年。

现在科学界观点:宇宙几乎完全由普通物质、暗能量和暗物质组成;

还有极少的电磁辐射和反物质。

普通物质:也就是原子、离子、电子以及它们形成的物质,约占宇宙总质量5%;

普通物质通常是固态、液体、气体和等离子体四个状态,包含:行星、卫星、太阳、星系、星系团和星系间物质等。

太阳系:太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,八大行星以及数以万计的小行星所占比例微乎其微。

银河系:太阳只是银河系中极其普通的一个太阳,银河系大约有1000亿颗太阳,根据科学家们的研究与探测,银河系的可见总质量相当于太阳总质量的2100亿倍。

本星系群:是一个典型的疏散星系团,没有明显的向中心聚集的趋势。

成员星系约50个。

银河系和仙女明星系是本星系群成员星系中最大的两个,质量约 6.5×10^11 太阳质量。

本超星系团室女座超星系团:是一个不规则超星系团,包括太阳系所在的银河系所在的本星系群在内的一群星系组成的超星系团。

是在可观测宇宙中数以百万计的超星系团中的一个。

室女座超星系团总质量大约为10^16太阳质量。

但是存在的星系、星系团等相对于广袤的宇宙来说,还是显得太微小了,远远望去只是一个光点,周围是大量的黑暗,整个宇宙看上去太过空旷了。

宇宙中还存在大量人类未知的暗物质和暗能量,约占宇宙总质量95%。

暗物质:暗物质是一种假设的物质,科学家测定银河系像陀螺一样飞快的转,形成银河系的向心力,也就是银河系天体的万有引力。

但事实上,我们观测到的银河系天体,根本无法提供这么大的万有引力,如果没有其他物质帮助,银河系这个小陀螺早就该转散架啦。

科学家假设这种物质存在,并且命名暗物质,现在还没有任何实验手段探测到,暗物质既不发射也不吸收任何显著水平的光或任何其他电磁辐射,约占宇宙总质量22%。

暗能量:目前我们知晓宇宙正在加速膨胀,但是对宇宙膨胀为何加速的解释目前仍然是难以捉摸的。

科学家假设宇宙存在一种能量,它跟万有引力作用力相反,推动宇宙加速膨胀,暗能量是一种未知的能量形式,被假设为能穿透空间,约占宇宙总质量73%。

既然暗物质和暗能量能够很好地描述宇宙,那就想办法去发现它们、观察它们。

科学家们在极其苛刻的条件下设计了很多巧妙的实验装置,试图找到暗物质和暗能量的踪迹,可惜到现在仍然是一无所获。

“中国锦屏地下实验室”利用为水电站修建的锦屏山隧道建成。

其垂直岩石覆盖达2400米,是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室。

地下实验室是粒子物理和天体物理学等领域的暗物质探测研究、中微子实验等重大基础性前沿课题的主要研究场所。

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

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