随着科学家利用先进的天文观测设备对深空进行研究,人类对宇宙的认知不断深入。

相较于上世纪五十年代,我们已经取得了巨大的进展,观测范围也不断扩大。
据理论估计,宇宙的可观测半径约为465亿光年,但由于技术限制,我们目前无法观测到那里的景象。
近日,一支国际天文研究团队利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜,发现了已知距离地球最遥远的星系。
这个星系形成于宇宙大爆炸后的约3.25亿年,它发出的光经过了整整135亿年的旅程,才抵达我们附近的空间。
从宇宙演化的角度来看,这个星系几乎在宇宙的黎明时刻就诞生了。
我们的宇宙起源于一个奇点,所有物质都曾密集到一个密度无限大、体积无限小的点中。
在宇宙爆炸的瞬间,时间和空间诞生了。
初期宇宙犹如一锅沸腾的粥,粒子在高温下迅速运动并相互融合。
直到大爆炸后的30万年,宇宙逐渐形成了中性原子,并通过引力作用聚集成密度较高的气体云块。
那个时候的宇宙还处于一种略微混沌的状态,而我们所观测到的这个星系就是在这种黑暗中孕育而生的。
它与其他星系一起发出了第一缕光线,属于宇宙中的原始星系。
这些星系中的恒星与现在的恒星有很大不同,那时的恒星质量和体积更大,释放的能量也更强。
因此,由它们组成的星系往往更明亮,这使得我们在上百亿光年的距离上仍能够观测到它们。

测量这些星系的确切距离并不容易。
这些星系往往离地球非常遥远,常规的测距方法对它们并不适用。
在大尺度范围内,科学家通常使用红移来估计距离。
红移可以被称为宇宙的尺子,要理解红移,我们需要从多普勒效应开始说起。
我们在日常生活中能够注意到声波的多普勒效应,比如当救护车向我们靠近时,鸣笛的声音听起来会更尖锐。
而当它远离时,声音逐渐变得低沉。
1942年,奥地利物理学家约翰·斯琴·多普勒注意到了这个现象,并发现它与声波的波长有关。
当声源靠近时,波长和频率都会受到压缩,波长变短且频率变高;
反之,波长拉长,频率变低。
类似地,光波也会受到多普勒效应的影响。
当光源与观测者相对运动时,光的波长也会发生变化。
如果光源远离我们,波长就会变长,光谱向红色偏移;
如果光源靠近我们,波长就会变短,光谱向蓝色偏移。
在宇宙中,由于宇宙膨胀的影响,大部分星系都在远离我们,它们的光谱呈现出红移。

科学家通过测量这种红移的程度,可以估计出星系与地球的相对速度,进而推算出它们的距离。
利用这种红移测量方法,科学家发现了一些极其遥远的星系。
最近发现的那个距离地球最远的星系,它的红移值是10.2。
红移值越大,表示距离越远,观测到的光线旅行的时间也就越长。
这个发现不仅是对宇宙演化的重要突破,也为科学家提供了研究宇宙早期的珍贵机会。
通过观测这些遥远的星系,我们可以了解宇宙在形成初期的样子,了解恒星和星系的演化过程,揭示宇宙的奥秘。
未来,随着技术的不断发展,我们有望观测到更遥远、更古老的星系。
这将为我们提供更多关于宇宙起源和演化的线索,推动宇宙学的发展。
通过不断的探索和研究,我们或许能够揭开宇宙更深层的奥秘,对人类认知的扩展将是极其激动人心的。
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