哈勃升空30多年 拍摄100万次后 证明宇宙中至少有2万亿个星系

宇宙的辽阔与神秘，自古以来就令人着迷。

直到近几百年前，人类才开始真正地探索宇宙的奥秘。

从原始时代茹毛饮血的远古时代到现代飞向太空的科技时代，仅仅过去了短短三百多年，但人类在科技领域所取得的成就却是令人惊叹的。

这些成就不仅大大提升了人们的生活质量，同时也让我们的目光投向了天空，对宇宙展开了全方位的探索。

我们常常用"浩瀚"来形容宇宙，但如果我们追问宇宙究竟有多浩瀚，似乎就很难给出一个具体的概念。

长期以来，地球的大气层严重限制了人类对宇宙深处的观测能力。

只有当我们走出地球，才能真正领略太空的寂静与广阔。

通过大型光学太空望远镜传回的一系列照片，我们得以目睹宇宙深处闪耀的恒星和星系。

我们不禁会产生一个问题：宇宙中究竟有多少个星系？

我们无法亲眼看到宇宙的每一个角落，那么我们又是如何得出确切的数据呢？

要回答这个问题，我们离不开哈勃望远镜。

哈勃望远镜已经服役了30多年，在这段时间里，它进行了超过100万次的有效观测，一次又一次地给出了答案，并不断刷新着人们的认知。

1995年，哈勃望远镜对准了北斗七星勺上的一片几乎没有什么的天区。

这个区域只有硬币大小，仅占全天的2600万分之一。

哈勃望远镜对这个虚无之地进行了长达10天的342次拍摄，涵盖了紫外线、可见光和红外线波段。

为了获得更多的进光量，每次拍摄通常需要20到40分钟的时间。

最终，研究人员得到了342张照片。

将这些照片叠加处理后，我们看到了首个哈勃深空场。

在这个仅有硬币大小的区域中，至少存在着1500个大小不一的星系。

这些星系的体量与我们的银河系相当，它们距离地球的距离不尽相同，有的距离地球仅百万光年，有的则达到了千万光年。

它们以明亮的蓝色和紫色显示，而那些距离地球较远的星系则呈现出暗淡的红光，因为它们发出的光波长在遥远的距离下已被拉伸到了红外波段。

科学家根据这些照片的分析，估计在当前可观测的宇宙中，至少存在着1000亿个星系。

这是人类首次对宇宙星系数量的估算，而我们似乎对这个数字已经没有什么概念了。

这只是一个刚刚开始。

在哈勃望远镜之后，科学家们继续使用其他先进的观测设备和技术，如斯隆数字巡天和欧洲空间局的伽利略卫星等，进一步研究宇宙的结构和组成。

此外，科学家们还利用宇宙微波背景辐射（CMB）的观测数据，推测宇宙的总体形状和演化历史。

通过对CMB的测量和分析，他们能够推断出宇宙的大尺度结构，包括宇宙的膨胀速度、暗能量的存在以及暗物质的分布等重要信息。

尽管科学家们已经做出了估计，但宇宙中星系的确切数量仍然是一个开放性的问题。

由于宇宙的辽阔和复杂性，我们仍然对宇宙的许多方面知之甚少。

因此，对于宇宙中星系数量的准确估计仍然存在一定的不确定性。

未来，随着科技的不断进步和新一代观测设备的投入使用，我们有望获得更多关于宇宙的信息。

例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将在不久的将来发射升空，它将能够提供比哈勃望远镜更高分辨率和更深入的宇宙观测，为我们解开宇宙之谜带来新的突破。

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