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地球在宇宙贫瘠的地方,世界上最贫瘠的地方

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-27

在不同的国家或地区,对于银河系的叫法各有不同。

在中国古代,人们将银河系称为“天河”、“天汉”,而在西方世界它又被称为“Milky way”,你没看错,直译过来就是“牛奶路”。

虽然身处银河系之中,但你是否真的了解这条灿烂星河呢?而它在整个可观测宇宙中又是什么样的地位呢?

事实上,如果从宏观上来看,银河系其实只是宇宙中一个普通星系,而我们之所以会觉得它很特别,主要是因为它孕育出了人类。

迄今为止,因为人类并没有在宇宙中发现任何一个外星的存在,所以从某种角度来看,我们其实可以认为自己独享着整个宇宙。

但是,这种观点也是非常狭隘的,因为人类的视野还不够开阔,以至于我们连4光年外的比邻星都无法清晰看到,只能通过种种方法大体推算出它是一颗红矮星,在它的引力圈内至少有两颗行星。

目前,人类在太阳系之外已经发现了数千颗行星,这些行星中有的环境恶劣,但也有的跟地球极为相似,相似度甚至能够达到98%,那里有没有生命、有没有文明呢?仍然是个未知数。

根据相关计算,人类肉眼能够直接辨别的恒星大约在6000颗左右,而一旦借助高精度观测设备,这个数字立即会膨胀几十上百万倍,但就算是这么多的恒星,其实也只是我们周围一块小小的天区而已,宇宙的浩瀚远超人类的常规认知。

太阳和太阳系的基本信息

很多人认为,经过数百年的观察和研究,人类应该对太阳系了解的极为透彻了,但实际上人类对太阳系根本谈不上“透彻”,或者说距离“透彻”还有一段非常长的路要走,那漆黑的帷幔后面还隐藏着极多秘密等待着人类去追寻探究。

作为太阳系的“老大”,太阳占据了太阳系99.86%的质量,余下的8大行星、5颗矮行星、一百多颗卫星,还有不计其数的彗星、陨石、宇宙尘埃,全算起来仅占整个太阳系质量的0.14%。

根据计算,太阳的引力影响半径大约有1光年多,就目前的科技水平来看,人类的飞行器想要跨过这段遥远的距离至少需要1.7万年。

在宇宙中尺度下,4.22光年外的比邻星系最近的恒星系,按照旅行者一号现在的飞行速度来看,7万年后才能够抵达那里。

银河系在宇宙中的地位

如此庞大的距离尺度,是不是意味着太阳在银河系中非常特殊?答案当然是否定的,如果除去存在人类这一事实,太阳就是银河系中一颗普通的黄矮星,坐落在一个叫做猎户臂的支旋臂上,距离银河系中心大约3万光年左右。

可能单独看太阳系会觉得太阳系很大,但放眼整个银河系的话,它就如落入大海中的小沙砾一样渺小,因为银河系的直径达到了20万光年,有2000~4000亿颗恒星存在其中。

和太阳落入银河系中极为渺小一样,银河系放到整个宇宙中同样异常渺小,因为在银河系上面还有一个叫做星系群(团)的天体结构,而银河系就是本星系群中的一员。

夸张的本星系群

本星系群中大约有50多个星系,在宇宙中覆盖了约1000万光年直径的区域。

在本星系群中,质量最大的星系是距离地球250万光年的仙女座星系,而排名第二的就是我们所在的银河系。

别以为这就结束了,宇宙的恢宏浩瀚远超你的想象。

在本星系群之上还有范围更大的超本星系团,又被称为“室女座超星系团”。

颠覆认知的超本星系团

室女座超星系团中包含了几百个本星系群,至少有2500多个星系,覆盖了一片1~2亿光年的天区。

银河系所在的本星系群位于室女座超星系团的边缘位置,围绕着它的质心公转,公转一圈大约需要1000亿年的时间。

目前,科学家们已经在宇宙中发现了几十个超星系团,其中至少包含了1200亿以上的星系,而这仅仅是可观测宇宙中的一小部分。

根据推测,整个可观测宇宙中星系的数量至少达到了万亿~十万亿个。

可观测之外是大片的未知

但是别忘了,宇宙中可见部分只占据了其总质量的4.9%,还有95.1%是无法观测到的暗能量和暗物质,而它们究竟是什么,人类目前还是毫无头绪。

此外,这仅仅是可观测宇宙,在可观测宇宙之外还有不可观测宇宙,而不可观测区宇宙究竟有多大、是什么样子的,人类依然不曾知晓。

现在知道我们有多渺小了吗?如果形象的进行比喻,可观测宇宙是辽阔的大海,银河系就是这片大海中的一个水珠,太阳系则是这个水珠中的电子或更小的存在,而地球根本就无法形容了。

恐怖的KBC空洞

2013年,三位天文爱好者发现了迄今为止最大的宇宙空洞结构——“KBC空洞”,该空洞大体上呈球形,直径达到了惊人的20亿光年。

如果KBC空洞仅仅是大,可能还并不会引起人们的广泛关注,最主要的是它其中包含了拉尼亚凯亚超星系团,而它是室女座超星系团的上一级结构。

换句话说,我们现在所在的银河系,其实正处于这个巨大的宇宙空洞中,所以从宇宙中物质分布的角度来看,我们其实生活在宇宙中最贫瘠的地方。

值得一提的是,许多人认为这也是人类到现在还没有发现外星文明痕迹的原因之一,就如同一个身处荒芜沙漠中的人,他当然无法发现繁华的世界。

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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