相当于可观测宇宙的2%，内部只有60个星系，牧夫座空洞有多可怕？

宇宙中除了恒星和星系，还有着数量繁多的空洞，虽然它们内部并非空无一物，但出于某种我们尚不了解的机制，空洞内的物质密度只有其他地方的十分之一甚至百分之一。

比如直径2.5亿光年的牧夫座空洞内，只有区区60个星系，相较于银河系所在的本星系群和本星系团，牧夫座空间内几乎就是空无一物的状态，天文学家甚至认为如果银河系就位于牧夫座空洞内的话，人类直到现在可能都会认为银河系就是宇宙中唯一的星系。

虽然天文学家早在1981年就发现牧夫座空洞了，但距离地球7亿光年的它身上还有很多谜团，作为一个占可观测宇宙直径2%的超级空洞，牧夫座空洞能轻松装下包括银河系和仙女座星系在内的本星系团，甚至连本星系团之上的室女座超星系团也能轻松拿捏，毕竟它的直径只有1.1亿光年。

目前唯一比牧夫座空洞还大的天体系统，是室女座超新星的上级，形似羽毛的拉尼亚凯亚超星系团，它的直径达到了惊人的5.2亿光年，几乎相当于牧夫座空洞的两倍了。

目前的宇宙学模型认为，大量星系会在几十亿光年的尺度上呈现丝状纤维丛排列，这种纤维丛便是宇宙长城，拉尼亚凯亚超星系团便是宇宙长城上的节点，而在暗物质和暗能量加起来占宇宙质能总量95%的情况下，由普通物质构成的星系自然不可能塞满全宇宙，所以宇宙长城之间肯定会有很多空隙。

这种空隙便是宇宙空洞，而牧夫座空洞就是就是距离地球最近的一个超级空洞，它内部除了那60个星系外就是暗物质和暗能量了。

其中暗物质负责提供额外的引力让星系不至于解体，暗能量则负责让我们的宇宙加速膨胀，即哈勃和韦伯望远镜看到的：距离地球越远的星系远离地球的速度越快，最终它们会在距离地球140亿光年的地方超过光速，也就是说一旦星系和地球的距离超过140亿光年，地球就和它们永远失去联系了。

就目前的情况下而言

牧夫座空洞并不是唯一的空洞，也不是最大的空洞，宇宙微波背景辐射图的右下角的CMB冷点，才是最大的空洞，被称为Eridanus超级空洞的它，直径达到了5亿光年，由于内部物质稀少所有温度显著低于宇宙其他地方，这才在微波背景辐射图上以蓝色的斑点的形式被天文学家察觉到了。

距离地球最近的空洞是7500万光年外的本地空洞，它的直径大约有1.5亿光年，银河系相对而言比较靠近这个空洞的边缘，在可以预见的未来随着韦伯望远镜的大范围观测，一定还有更多的空洞等待天文学家们去发现。

总的来说

我们对宇宙空洞的了解还很有限，虽然我们能用宇宙标准模型去解释空洞的起因和演化，但在人类文明科技史只有几百年的情况下，人类很难说自己关于宇宙的理论就一定是正确的，比如最近韦伯望远镜的观测结果表明宇宙的年龄可能是267亿年，而不是此前认为的138亿年。

在这种情况下，有关宇宙空洞的研究在未来也许也会迎来新的变数，但不论怎样，人类都不会放弃研究宇宙。

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