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你有没有想过,在浩瀚的宇宙深处到底隐藏着多少我们不知道的秘密

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-10

你有没有想过,在浩瀚的宇宙深处到底隐藏着多少我们不知道的秘密?宇宙是怎么诞生的?有没有其他适合人类居住的星球?这些问题一直困扰着我们人类。

而詹姆斯·韦伯太空望远镜,就像是一把开启宇宙奥秘之门的神奇钥匙,但别急,先点个赞,现在跟你说说!!

韦伯望远镜的作用那可真是相当重要!它就像是宇宙的“超级侦探”,能帮助我们看到宇宙更深处、更古老的景象。

它的主镜直径达到了 6.5 米,而哈勃望远镜主镜直径约为 2.4 米,韦伯望远镜的主镜面积是哈勃望远镜的 6.25 倍。

并且,韦伯望远镜能够在接近绝对零度(约零下 273.15 摄氏度)的低温环境下工作,这使得它可以探测到那些遥远、微弱的红外信号。

比如说,它可以研究附近系外行星的大气层,分析其中的物质成分,帮助我们寻找可能适合人类居住的星球。

据统计,目前已发现的系外行星超过 5000 颗,而韦伯望远镜有望为我们提供更多关于这些行星的详细信息。

- 创生之柱:这是韦伯望远镜拍摄的最著名的景象之一。

“创生之柱”位于距离地球约 6500 光年的鹰状星云内。

1995 年,哈勃望远镜首次拍摄到了“创生之柱”,当时的照片就已经让人们惊叹不已。

而韦伯望远镜拍摄的“创生之柱”图像,则更加清晰、细节更丰富。

我们可以看到气体柱的轮廓,以及隐藏在其中的新生恒星。

这些新生的恒星就像是宇宙中的“宝宝”,正在逐渐成长。

据科学家估算,“创生之柱”中包含着数千颗新生恒星。

- 低质量星系:韦伯望远镜还揭示了低质量星系在宇宙再电离过程中的重要作用。

通过引力透镜效应,它成功获取了宇宙大爆炸后不到 10 亿年的第一批极低质量星系的光谱。

研究表明,这些低质量星系可能对宇宙早期的演化产生了重大影响。

例如,它们可能是宇宙中重元素的重要来源之一。

- 系外行星:韦伯望远镜能够探测到系外行星的大气成分。

比如它曾观测到一颗名为 wasp-96b 的气态巨行星,距离地球超过 1100 光年,质量不到木星的一半,绕其黄矮星运行的周期只需三天有余。

根据韦伯望远镜的观测,这颗行星上有水的存在,而水是太空中有潜在生命体最有希望的征兆之一。

目前,韦伯望远镜已经观测到了多颗系外行星,为我们寻找地外生命提供了重要线索。

红移现象最初是针对机械波而言的。

简单来说,一个相对于观察者运动着的物体,离得越远发出的声音越浑厚(波长比较长),相反离得越近发出的声音越尖细(波长比较短)。

在天文学中,红移现象是指天体的光谱线向红端移动的现象。

这是因为宇宙在不断膨胀,天体之间的距离在不断增大,导致光线的波长被拉长。

通过观测天体的红移现象,科学家们可以计算出天体与我们之间的距离,以及宇宙的膨胀速度。

例如,科学家们通过对大量星系的观测发现,星系的红移量与它们和地球的距离成正比。

目前,科学家们已经测量到了距离地球数十亿光年的星系的红移量,这些数据为我们研究宇宙的膨胀提供了重要依据。

从目前的科学研究来看,宇宙大爆炸理论是最被广泛接受的宇宙起源理论。

科学家们通过对宇宙微波背景辐射的观测,发现了宇宙大爆炸的“余晖”。

宇宙微波背景辐射是一种均匀分布在整个宇宙空间中的微弱电磁辐射,其温度非常均匀,约为 2.725 开尔文。

据测量,宇宙微波背景辐射的各向异性非常小,只有约十万分之一,这与宇宙大爆炸理论的预测非常吻合。

而且,根据对星系红移现象的观测,宇宙在不断地膨胀,这也支持了宇宙大爆炸理论中宇宙从一个初始的高温、高密度状态开始膨胀的观点。

就像著名的科学家爱因斯坦所说:“宇宙最不可理解之处,就是它居然是可以被理解的。

”

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