
在浩瀚无垠的宇宙中,星系的数量是一个令人惊叹且难以捉摸的问题。
尽管我们无法精确地计算出宇宙中星系的确切数量,但科学家们已经做出了一些大胆的估计。
根据最新的研究,天文学家们认为,宇宙中的星系数量至少有2万亿个,并且这个数字还在持续增长。
## 星系的定义与形成
在我们开始讨论宇宙中星系数量的问题之前,让我们先来定义一下什么是星系。
在天文学中,星系是由数十亿至数千亿颗恒星、星云、暗物质等组成的巨大引力系统,它们通过引力相互束缚在一起。
星系的形状和大小各异,从螺旋星系、椭圆星系到不规则星系,种类繁多。
星系的形成是一个漫长而复杂的过程。
大约138亿年前,在大爆炸之后的宇宙初期,原始的气体和尘埃在引力的作用下逐渐聚集在一起,形成了恒星和星团。
随着时间的推移,这些恒星和星团进一步聚集,最终形成了我们今天所看到的各种星系。
## 估算宇宙中的星系数量
那么,我们如何估算宇宙中的星系数量呢?在过去的几十年里,天文学家们通过观测遥远的星系和使用理论模型,对宇宙中的星系数量进行了估算。

其中一种方法是观测遥远星系的红移。
由于宇宙正在膨胀,远离我们的星系发出的光波长会变长,这种现象被称为红移。
通过测量遥远星系的红移,天文学家可以估算出它们与我们之间的距离,从而推测出宇宙中的星系数量。
另一种方法是使用大型天文望远镜观测近距离的星系。
这些望远镜可以捕捉到更暗淡、更远的星系,从而提高我们对宇宙中星系数量的估计。
综合这两种方法,天文学家们估计,宇宙中的星系数量至少有2万亿个。
然而,这个估计仍然存在很大的不确定性,因为宇宙的规模和复杂性远远超出了我们当前的理解和技术能力。
## 宇宙中的星系数量仍在增长
值得注意的是,即使我们已经估算出了宇宙中至少2万亿个星系的数量,这个数字仍在不断增长。
这是因为宇宙的膨胀速度正在加快,这意味着新的星系不断地在空间中形成。
此外,由于宇宙的年龄约为138亿年,许多年轻的星系尚未达到稳定状态,它们的形成和演化仍在继续。
在未来的研究中,天文学家们将继续利用更先进的观测设备和技术,以更准确地估算宇宙中的星系数量。

这将有助于我们更好地理解宇宙的起源、演化和结构,以及我们在其中的地位。
## 探索宇宙的新前沿
随着科学技术的发展,人类对宇宙的认识也在不断深入。
例如,下一代的空间望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)将于2021年发射升空,它将为我们揭示更多关于星系的秘密。
此外,大型强子对撞机(Large Hadron Collider)等粒子物理实验也在帮助我们探索宇宙的基本规律。
在未来的探险中,我们将不断拓展对宇宙的认知边界,逐步揭开宇宙的神秘面纱。
而这些关于星系数量的发现,无疑将为我们提供宝贵的线索和启示。
## 结论
总之,根据天文学家的估计,宇宙中的星系数量至少有2万亿个,并且这个数字仍在持续增长。
这一发现揭示了宇宙的浩瀚无垠和复杂多样,也提醒我们要保持谦逊和好奇心,继续探索这个神秘的宇宙。
虽然我们目前已经取得了显著的进步,但对宇宙中星系数量的准确估计仍然充满挑战。
在未来的研究中,我们需要继续发展更先进的观测技术和理论模型,以便更准确地了解宇宙的规模和结构。
同时,我们也要认识到,我们对宇宙的认识仍然有限,还有许多未知领域等待我们去探索和发现。
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.
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