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从地球到可观测宇宙 跨越百亿光年后 你会发现人类不值一提

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

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。

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

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