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宇宙诞生138亿年,数量众多的黑洞,一共吞噬了多少物质?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-07-30

当一个天体的引力强大到,连每秒30万公里的光都飞不出它的表面时,这个天体在外表上肯定就是一片漆黑的。

以上这个设想早在牛顿时代就出现了,这种天体当时被称为"暗星",但牛顿本人并不相信宇宙中存在引力如此强大的天体,所以暗星长久以来都只是一个未经证实的猜想而已,直到19世纪末20世纪初,爱因斯坦的出现...

1916年,已经凭借狭义相对论享誉世界的爱因斯坦,又把引力纳入了他的相对论体系中,并以此为契机发表了广义相对论,该理论完美解决了万有引力定律在强引力环境,以及近光速条件下的失效问题,因此当时报纸上都报道爱因斯坦的广义相对论"是一个打破了牛顿万有引力定律的新理论",是德国科学家的胜利。

但稍微有点科学精神的人都知道,牛顿万有引力根本没有被推翻,所谓的广义相对论也只是万有引力定律的加强版,或者说补丁版而已,在研究日常生活以及太阳系内的问题时,万有引力定律依然是有效的,只有个别情况下,才需要用到广义相对论。

而所谓的"个别情况",指的就是黑洞,这是一种脱胎于"暗星",但只在广义相对论中才能被推导出来的奇特天体。

它由同为德国科学家的史瓦西在战场上计算得出,数年后被科学界广泛接受,2019年被人类首次拍摄成像,是目前宇宙中质量最大,引力最强大天体,且黑洞内部奇点,还是继宇宙大爆炸奇点后,又一个让物理学失效的地方。

目前的研究表明,任何物质在进入黑洞前都会先被黑洞的引力撕碎,而后越过事件视界,彻底在宇宙中消失,物质连同所包含的信息,都绝无可能从黑洞的引力深井中再逃出来,只有霍金辐射还能从理论上带走黑洞的质量,但质量越大的黑洞,霍金辐射往往就越微弱,因此一颗正常的天然黑洞的寿命,往往有几十万甚至上百万亿年。

那么在宇宙大爆炸138.2亿年后的今天,宇宙中的黑洞一共吞噬了多少物质呢?会不会将来有一天,宇宙中所有的物质都会被黑洞吞噬,整个宇宙的黑洞将连为一体,变成一个史无前例的超级黑洞呢?

根据天文学家的推断,我们的宇宙内,至少有1%的物质已经被黑洞吞噬,成为了黑洞质量的一部分,而且黑洞的分布密度远比之前想象的要高,仅在地球附近就可能存在数十个尚未被发现的黑洞,而银河系中心的超大质量黑洞人马座A*,身边同样拥有大量游荡的卫星黑洞,它们都集中在银心区域。

如果把全宇宙的黑洞加起来,那么它们的质量应该是全体恒星质量的十分之一左右,其中的绝大部分都被星系中心的超大质量黑洞掌握着,在可以预见的未来,随着黑洞的不断成长,会有越来越多的物质被黑洞吞噬。

但我们并不用担心宇宙变成一个黑洞

因为黑洞本质上也是一种天体,它目前只能由大质量恒星在晚年坍塌而成,但宇宙中数量最多的恒星是红矮星,它们是变不成黑洞的,真正希望在最后坍塌成黑洞的大质量恒星,只占了宇宙恒星总量的极小一部分,因此黑洞就算引力再强大,在数量的绝对劣势下,也不可能吞噬宇宙中所有的物质。

最新的数据统计表明,每326万光年范围内就有1000万个黑洞,它们的总质量是太阳的5000万倍,算下来每个黑洞的平均质量是太阳的5倍,更进一步的话,宇宙中每10颗恒星周围就会有一个黑洞,但我们明显看不到它。

总体而言

虽然黑洞的性质很可怕,但它的引力只能影响靠近它的天体,对远距离天体而言是没什么威慑力的,举例来说,如果我们的太阳突然变成了黑洞,那么整个太阳系虽然会变得一片漆黑,但由于黑洞的质量仍然产生了和太阳相当的引力,所以太阳系的行星和卫星们的轨道,并不会因为太阳变成黑洞而改变。

我们只希望天文学家能尽早查清地球周围的黑洞,否则未来有一天如果流浪黑洞进入太阳系内的话,一切就都来不及了。

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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