这是一个非常遥远的宇宙的图像，其中许多星系离我们有几百亿光年远。

关于宇宙有一些基本的事实——它的起源，它的历史，以及它今天的样子——我们每个人都多少了解一些。

这其中一个众所周知的事实就是宇宙大爆炸或者说是宇宙诞生于138亿年前。

我们也能够大概描述我们今天所知道的宇宙：充满物质和辐射，以及最终成长为恒星、星系、行星和人类的成分。

既然宇宙诞生时间知道了，那么我们能看到多远?你可能会想，在一个被光速限制的宇宙中，那将是138亿光年：宇宙的年龄乘以光速。

但是138亿光年实在是太小了，不足以成为正确的答案。

事实上，我们可以在所有方向上看的到460亿光年远，这个可见宇宙球，其总直径为920亿光年。

为什么会这样？我们可以用三种直观的方式来思考这个问题，但是只有其中一个是正确的。

艺术家对可观测宇宙的对数尺度想象图

（1）物质无处不在，光以光速传播

这是大多数人的“默认”模式。

你可以想象一个到处都是恒星和星系的宇宙，这些恒星和星系现在的状态和宇宙开始的状态非常接近。

因此，我们等待的时间越长，我们就能看到的越远，因为光以光速沿着直线传播。

所以在138亿年之后，你预计能看到大约138亿光年，即使有误差，也仅仅是减去恒星和星系在大爆炸后形成的时间。

古德斯-恩菲尔德星系，星系gnz11突出显示:目前发现的最遥远的星系。

（2）物质无处不在，光以光速传播，一切都能在空间中移动。

这增加了问题的另一层；

不仅有大量的物质可以发光，而且这些发光的物体可以相互移动。

因为它们可以根据狭义相对论的规则移动到(但不完全是)光的速度，而光以光速向你移动，你可以想象在第一种情况下会看到两倍的光。

假设它们的光现在到达我们这里，它们以接近光速的速度离开我们，也许现在的可视宇宙可以达到276亿光年。

宇宙的不同可能的命运，与我们真实的，加速的命运在右边显示。

（3）物质无处不在，光以光速传播，恒星和星系移动，宇宙在膨胀。

这最后一层是违反直觉的，大多数人都是最难理解的。

是的，空间充满了物质，它会迅速聚集成恒星、星系甚至更大的结构。

是的，它所产生的光都是以光速在真空中传播。

而且，所有这些物质都能在太空中移动，这主要是由于不同的高密度区域相互吸引。

所有这些都是正确的，就像在第二种情形中一样。

星系的“流动”与附近的质量场相对应。

但也有一些额外的东西。

就是空间本身在膨胀。

当你看到一个遥远的星系，发现星系比正常更红了，一般的思考方式是该星系是红色的，因为它在远离我们，因此光线以同样的方式转移到长波(红)，类似于120急救车警报远离你的声音，它们转移到更长的波长和低音调。

这说明了在膨胀的宇宙中红移是如何工作的。

但是我们还要考虑到宇宙本身在膨胀，因为宇宙膨胀，空间结构延伸，在那个空间里的光波也可以看到它们的波长出现延伸!

你可能认为不可能把这两种效果区分开来。

如果你能测量的是光线到达你的眼睛的波长，你怎么知道它是由于运动还是由于空间的结构?事实证明，红移(也就是波长)和观测到的星系亮度之间存在一种关系，这是距离的函数。

在一个不膨胀的宇宙中，正如我们前面所提到的，我们能观测到的最大距离是宇宙年龄的两倍，即276亿光年。

但是在我们今天的宇宙中，我们已经观测到的星系远比这遥远!

图中所示的GOODS-North调查包含了迄今为止观测到的一些最遥远的星系，其中有许多已经在300亿光年之外(在右侧突出显示)。

那么在各个方向上我们能看到多远?如果宇宙中没有暗能量，那么最远的天体——恒星、星系、大爆炸留下的余辉等等——将被限制在414亿光年。

(这一数字的相对论推导，即R = 3ct，应该是那些在研究生院接受广义相对论的人所熟悉的结果。

)但在一个暗能量的宇宙中，这被推向了一个更大的数字:我们宇宙拥有的观测到的暗能量有460亿光年。

狭义相对论(点)和广义相对论(实线)预测宇宙膨胀的距离。

确切地说，只有广义相对论的预测与我们观察到的相符。

把这些都放在一起，这意味着我们可以看到的宇宙间的距离，从一个遥远的一端到另一端，是920亿光年。

别忘了，它还在继续扩张!如果我们今天以光速离开，我们只能到达大约三分之一的路程，大约是它体积的3%。

换句话说，由于宇宙的膨胀和暗能量的存在，即使我们以光速离开，97%的可观测宇宙已经无法到达。

我们可见宇宙的大小(黄色)，以及我们可以到达的位置(洋红色)。

因此，920亿光年对于一个138亿年的宇宙来说似乎是一个很大的数字，但它是我们今天所拥有的宇宙的正确数字，充满物质，辐射，暗能量，并遵循广义相对论的定律。

宇宙本身正在膨胀，新的空间不断地在宇宙中被束缚的星系、群体和星团之间产生，这就是宇宙如何变得和我们的眼睛一样大。

考虑到它是什么，支配它的是什么，它是怎样产生的，它不可能有任何其他的方式。

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