星系绵延300万光年，韦伯望远镜拍到纤维结构，揭秘早期宇宙演化

最近天文学家使用韦伯望远镜的数据，发现了一条由10个紧密排列的星系组成的巨大气体纤维，跨度超过300万光年。

在大多数的人印象中，星系们彼此之间都隔着几十万光年乃至上百万光年的距离，但在韦伯望远镜横跨百亿光年的视野里，在我们看来相隔甚远的星系们其实组成了复杂的网状结构，考虑到此次发现的星系气体纤维远在137亿光年外，已经非常接近138.2亿年前的宇宙大爆炸了，所以天文学家断定，韦伯此次发现的就是最初的宇宙网状结构。

只不过在137亿年前宇宙中的星系还不够多，只能先形成若干条气体纤维，而在137亿年的后的今天，所有的气体纤维都已经彼此连接成了宇宙长城。

在韦伯望远镜此次发现的纤维结构里，担任引力源的是一个类星体或者说超大质量黑洞，这才是极不正常的，因为宇宙大爆炸之初连星系都不多，想形成超大质量黑洞就更难上加难了，但事实是它确实存在，并且用引力聚拢了周围几十个星系，形成了横跨300万光年的宇宙早期结构。

关于宇宙早期超大质量黑洞的形成原因，天文学界现在还众说纷纭，唯一能确定的就算它不可能是由恒星坍塌而成的，因为恒星级黑洞想要碰撞融合成超大质量黑洞的话，所需要的时间将比宇宙的年龄还长。

目前较为合理的解释是，这些宇宙诞生之初的就存在的超大质量黑洞本身的前身是种子黑洞，或者说原初黑洞，是在大爆炸之前就预设好的存在，等到宇宙大爆炸后随着质量的产生以及时空的超光速扩张，质量密集的区域就会在种子黑洞的作用下发生引力坍塌，进而形成超大质量黑洞去掌控早期的星系。

除了黑洞和原始的星系外，韦伯望远镜升空之前天文学家其实还想用它直接看到138.2亿年前的宇宙大爆炸，但后来发现大爆炸后38万年宇宙才膨胀到足以让光子自由穿梭的水平，而在那之前宇宙是一个粘稠的混沌状态，连光都没有就更别说看到大爆炸了。

目前最有希望看到宇宙大爆炸的，其实不是韦伯望远镜，而是未来地球上可能出现的新的大型粒子对撞机，物理学家们认为如果未来能绕地球赤道一圈构建对撞机的话，被加速到接近光速的亚原子粒子们对撞瞬间的能量级别将不亚于大爆炸瞬间，到时候通过分析对撞的数据，就能近似还原宇宙大爆炸之后的状态。

不过考虑到宇宙大爆炸之后不久就出现了黑洞，所以也有很多人担心未来的新型对撞机也会产生黑洞，针对这种担忧为物理学界给出的解释的不会，因为质量越小的黑洞蒸发的速度越快，这是霍金生前提出的霍金辐射理论决定的，不过如果霍金辐射理论是错的话，黑洞确实有可能在诞生后沉入地心然后开始吞噬地球。

总体来看

韦伯望远镜此次发现的星系纤维，属于宇宙大爆炸早期产生的基本结构之一，它们在后来的时间里不断由简单到复杂，最终形成了今天的宇宙长城结构，在可以预见的未来如果宇宙进一步扩张，这些宇宙长城也将被撕碎。

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