银河系是宇宙中最大最神秘的星系之一,它由数十亿颗恒星、行星、恒星云和其他天体组成,被认为是宇宙中最不可思议的奇迹之一。

虽然我们已经有了许多对于银河系的研究,但是还有很多关于它未知的地方,这些地方令我们充满好奇心和憧憬。
银河系是人类历史上最神秘的星际区域之一。
虽然科学家已经取得了很多关于它的研究成果,但是仍然存在一些谜团至今未解,今天我们来列举困扰人类数百年的银河系四大未解之谜。
第一个未解之谜,是银河系中暗物质的本质。
暗物质是用目前已知的理论无法解释的物质,它不会与光子或电磁波相互作用,因此对于科学家来说是很难探测到的。
然而,科学家相信暗物质在银河系中占据着巨大的比例,是构建宇宙的基础之一。
暗物质是一种为我们看不到或测量不到的物质,但是它占据了整个银河系95%的质量。
因此,暗物质对于我们理解银河系的形成和演化有着重要意义。
科学家目前还无法解释黑暗物质的组成和特性。
第二个未解之谜,是银河系中黑洞的形成和演化。
黑洞是一种宇宙中非常神秘的现象,它的强引力场可以吞噬周围的物质。

目前,科学家已经发现了许多的黑洞,但是它们的形成和演化过程仍然是未解之谜。
银河系中的黑洞是一个如此神秘而又可怕的存在。
黑洞是一种极度压缩的物质,它的吸引力是如此之强,以至于连光都不能逃脱它的引力。
银河系有一个超大质量黑洞,它位于银河系的中心,直径约为1000万公里,比太阳还要大数倍。
如果一个人进入黑洞,他将被黑洞的引力拉扯成无限小的粒子,永远消失在宇宙中。
这就是科学家近年来新发现的人马座A星黑洞。
第三个未解之谜,是银河系中迷失的行星。
在银河系中有数百亿颗恒星,每颗恒星都可能拥有自己的行星系统。
然而,我们的观测设备目前只能观测到一小部分行星。
科学家估计,在银河系中还有数百亿颗行星尚未发现。
第四个未解之谜,是银河系中生命的起源。
虽然我们知道生命的起源需要涉及到很多复杂的化学反应和物理过程。

但是我们对于这一过程的详细了解仍然很有限。
科学家也在不断地努力研究这一问题,希望最终能够揭示生命的起源之谜。
据科学家们的研究,银河系中的生命起源可能与外部环境因素、星际尘埃和宇宙能量等因素有关。
在银河系中,有一些地方比较适合生命的产生,例如恒星附近的行星和星际云雾中。
同时,人类也发现了一些外太空的微生物,这让我们看到了生命能够在极端的环境中存活的可能性。
而对于银河系中生命的起源,最多的猜测是来自外太空的种子。
这种说法认为生命最初是由外太空的某个地方来到了地球,并在地球上得以繁衍。
但这仍然只是一种猜测,需要更多的证据和实验验证。
虽然目前我们还无法完全解开银河系生命起源之谜,但这并不妨碍我们探索和挖掘更多的信息,让我们更好地理解生命和宇宙。
银河系这四大未解之谜,是人类在探索宇宙中所面临的挑战,这些未解之谜的解答对于我们了解宇宙的构成和演化至关重要。
虽然科学家们已经取得了一些进展,但是我们仍然需要更多的研究来揭示银河系的神秘之处。
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