宇宙在超光速膨胀，为什么仙女座和银河系，未来还会相撞？

本星系群里最大的星系是仙女座星系，它距离银河系有254万光年，然而最新的观测显示，在宇宙加速膨胀的情况下，仙女座和银河系之间的距离却越来越近了。

在银河系以每秒600公里的速度在太空中飞行的同时，仙女座星系也在以每秒300公里的速度飞行，只不过仙女座的飞行轨迹刚好和银河系的轨迹重合，种种迹象表明：这两个本星系群内的老大和老二，将在37.5亿年后发生碰撞。

那么这场宇宙级的碰撞会带来什么影响呢？

我们的太阳和地球能否在这场碰撞中幸存下来？

从哈勃望远镜的观测来看，星系碰撞在宇宙中是经常发生的，当两个星系最终相撞时，它们将融合成一个更大的星系，只不过星系在宇宙中并不是随意移动的，它们是沿着被称为 丝 的路径行进着。

这些丝状结构是由暗物质、气体和尘埃构成的，它们在整个可观测宇宙中延伸，是目前已知的最大的宇宙结构。

在暗物质的引力作用下，星系们被不断拉到丝状结构的轨道上移动，两个星系没能及时错开的话就会发生碰撞，还有两个星系如果离得太近的话，也会被彼此的引力互相吸引而发生碰撞。

银河系与仙女座星系的碰撞就属于第二种

作为两个直径都在十万光年以上的大星系，仙女座和银河系之间的距离却只有短短的254万光年，在这么近的距离上宇宙膨胀的力量微乎其微，远不足以把这两个星系拉开，在拉不开的情况下就只能由着这两个星系越靠越近了。

超级计算机的模拟结果显示

当两个星系在未来发生第一次接触时，星系最外侧的恒星们会因为引力的突然变化而从原来的轨道里被甩出去，称为流浪恒星。

同时两个星系内的气体云和尘埃云也会因为引力变化，被挤压在一起获得温度和压力点燃核聚变，进而产生一新的恒星，结果就是有一批老恒星被甩出去，一批新恒星被迫诞生，最终这些恒星会组成一个比银河系和仙女座星系加起来还大的椭圆星系。

在银河系年龄为136亿年，至少拥有1000亿颗恒星，仙女座星系年龄100亿年，至少拥有1万亿颗恒星的情况下，新诞生的银河仙女系或者说银仙系，将拥有数万亿颗恒星，放在本星系团内也属于庞然大物。

最早在1700万年后，银河系边缘恒星上的外星文明就会首先感觉到仙女座星系带来的引力，37.5亿年后两个星系将开始积极融合，在这个过程中，原来的气体和尘埃云会被不断融合成新恒星或者被抛出。

从哈勃望远镜的观测历史上来看，两个螺旋星系形成一个椭圆星系是星系演化中的一个常见场景，合并的持续时间则取决于星系的质量、它们的相对速度和形状等因素，一个典型的星系合并可以持续几亿年到几十亿年时间，而仙女座和银河系的合并预计要等到100亿年后才能完成。

根据目前的计算，我们的太阳最迟在50亿年后就会用尽所有的燃料储备，膨胀成一个红巨星，最终再变成一颗白矮星，所以在银河系与仙女座星系碰撞的时候，太阳系至少还存在着，地球也还存在。

唯一不能确定的就是到时候地球上还有没有人类文明，宇宙中还有没有人类文明？

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