
无论是大质量黑洞还是小质量黑洞,它们在所在区域都统治着星空。
黑洞的引力场区域虽然有限,但超大质量黑洞的引力范围却可以达到惊人的距离。
例如,银河系中心的超大质量黑洞能够束缚住直径达到10万光年范围内的所有恒星。
此外,它和仙女座星系的黑洞相互作用,将在30亿年后导致两个星系的合并,而这两个星系的距离竟然达到了260万光年。
最近的天文观测表明,控制星系引力的并非只有黑洞,暗物质也在发挥重要作用。
如果没有暗物质的引力加持,银河系中心的黑洞将无法独自掌控整个星系。
银河系中心的引力场受到的不仅是黑洞单独产生的,还有密度极高的恒星群,银河系引力场实际上是一个复杂的引力网络。
简而言之,太阳系在围绕银河系中心旋转时,所受到的引力作用不仅仅来自银河心黑洞,还有来自恒星、星系和分布在银河系中的暗物质的综合效果。
这使得银河系黑洞的引力相较于整个星系来说相对较小。

银河系总质量远远大于银心黑洞,而银河系内有着数百亿颗恒星,使得420万倍太阳质量的黑洞显得微不足道。
银河系的运动和结构不仅受到星系内引力的影响,还受到其他星系、超星系团的引力场的影响,如室女座超星系团的中心黑洞和长蛇座的巨引源等。
如果所有的黑洞突然消失,也就是它们的质量和引力场突然消失,会发生什么呢?关于引力传播速度有两种理论,一种认为引力的传播速度与光速相同,另一种认为引力的传播速度远远超过光速。
我们所能确定的是引力波的速度和光速是一样的。
如果黑洞突然消失,引力场也会突然消失,但已经传播出去的引力仍将存在。
也就是说,即便银心黑洞突然消失,太阳系仍会沿着原来的路径继续前进,直到2.5亿年后才会因失去银心黑洞的引力影响而改变运动轨迹。
站在银河系外看,黑洞消失的瞬间,银心区域将陷入大混乱。
原本围绕黑洞公转的恒星将被抛离,从中心向外的恒星将逐圈开始逃离。
然而,由于恒星之间仍存在引力,它们不久后将重新回到引力平衡状态。
尽管银河系的体积可能不会发生太大变化,但许多恒星系可能会变成流浪星系。
银河系中心的恒星密度极大,黑洞消失后,导致恒星之间发生无序运动,恒星之间可能发生碰撞和吞噬。

白矮星可能变成中子星,中子星可能变成黑洞,黑洞可能相互合并。
在大约一亿年内,银河系中心将有一个新的黑洞崛起。
这只是我们对银河系结局的想象。
银河系的运动状态和结构不仅由星系内引力决定,还受到来自不同区域的引力场的影响。
由于距离太远,如果引力传播速度是光速,银河系在几亿年后可能会发生更大的混乱。
所以,黑洞是否会突然消失存在一定的可能性,但按照霍金的黑洞辐射理论,这一过程速度相对较慢。
另一方面,爱因斯坦的罗森桥理论提出了白洞的存在,它可能是导致黑洞消失的原因。
然而,我们目前发现的最大黑洞质量已经超乎我们的想象,是否会真的消失还需要更多的科学研究。
或许这需要数千亿年的时间,也可能在新宇宙形成时才会发生。
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