多年以来,人类曾自诩地球是宇宙的中心,相信其他天体围绕着它旋转。

在17世纪,伽利略透过望远镜的观察,揭示了地球并非太阳系的中心。
他发现木星拥有自己的卫星,就像月亮绕地球旋转一样,木星的卫星也在其周围运行。
如今,我们已经知道地球并非宇宙的中心,也不是太阳系的核心。
实际上,太阳才是太阳系的中心,围绕它公转的有八颗行星和各种小天体。
地球仅仅是离太阳第三近的行星,最近的是水星,其次是金星,然后才是地球。
地球需要365天才能完成一次公转,与太阳的平均距离约为150百万公里。
在天文学中,我们将这个距离称为天文单位。
以光速飞行,需要大约8分20秒才能穿越这个距离。
让我们现在向太阳系的外围移动。
在火星和木星轨道之间,我们会遇到小行星带,这些小行星的直径从几公里到几百公里不等。
距离地球75亿公里的地方,是太阳系边缘的最后一颗行星——冥王星。
在那里,回望太阳系,地球根本无法被看见,太阳也只是一个黯淡的亮点。

当我们离开太阳系进入星际空间时,我们将首先接触到的是比邻星,这是离地球最近的恒星,距离我们仅有4.22光年。
换句话说,以光速飞行,需要超过4年的时间才能到达比邻星。
与之相比,旅行者一号探测器需要飞行7万年才能到达比邻星。
太阳系和比邻星都属于银河系的一部分。
银河系是由引力所束缚的数千亿颗恒星的巨大集合体,外观呈扁平圆盘状,中心有一个明亮的核心,那里恒星的密度非常高,并且隐藏着一个质量是太阳的440万倍的超级黑洞。
当达到银河系这一尺度时,光年已经无法满足距离的描述,天文学家开始使用秒差距作为距离单位。
一个秒差距相当于3.26光年,银河系的直径至少有30000个秒差距,也就是10万光年。
这意味着,即使存在比人类更发达的高级文明,他们的光速飞船也需要花费10万年才能横跨整个银河系。
类似于地球在太阳系中位于内部的第三颗行星,太阳系在银河系中也大致位于第三环附近,悬臂上有一个被称为猎户座的星群。
从太阳到达银河系中心需要飞行2.6万光年,而太阳绕银河系中心公转一周需要2.5亿年。
考虑到太阳的年龄约46亿年,可以说按照银河系的时间尺度,太阳只有20多岁。

根据目前的划分,银河系与仙女座星系以及其他70多个星系组成本星系群,直径约为1000万光年。
若干个星系群组成了星系团,而星系团又形成了直径为1.1亿光年的室女座超星系团。
天文学家目前估计,可观测宇宙中至少存在着2000亿个星系。
平均来看,每个星系都拥有2000亿颗恒星。
从这个角度来看,地球、太阳系以及银河系在宇宙中显得微不足道。
我们的地球并非银河系的中心,也不是宇宙的中心。
它只是一颗绕着黄矮星旋转的行星而已。
用卡尔·萨根的话来说,地球只是"悬浮在阳光中的一粒尘埃"。
然而,正是这颗微小的行星孕育了生命的奇迹,我们应当珍惜和保护它,同时也要保持谦卑,认识到我们在宇宙中的渺小和脆弱。
只有通过更深入的探索和理解,我们才能更好地欣赏宇宙的壮丽与奥秘。
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