首页 > 宇宙

宇宙中有哪些超出常人想象的冷知识?看完后感觉脑子装不下了

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-10

宇宙大得难以想象

很多人都知道,我们所在的这个宇宙很大,很大,大得令人难以想象,仅仅是可观测宇宙的直径就高达930亿光年,而人类无法观测的宇宙的直径则有可能高达上万亿光年。

正是正因为宇宙实在太大了,所以地球乃至太阳这种在人类看来很大的天体,在宇宙中却显得十分渺小,宛如地球上的一粒沙尘。

仅银河系中就有大约1,000亿到4,000亿颗恒星,这么多数都数不过来,而太阳只是其中的一颗,真的是难以想象。

就目前的技术,人类发射的最快的探测器,想要飞出太阳系,也需要上万年的时间。

银河系的直径更是高达10万光年以上,由于宇宙间存在速度上限,人类的宇宙飞船就算以最快的光速飞行,也需要10多万年才能飞越银河系。

其实除了大,宇宙中还有很多超出常人想象的东西,比如大家所熟知的密度,在宇宙中某些特殊的环境下会以极其恐怖,超出常人想象的的形式呈现。

致密星的极端密度

恒星才是宇宙的主角,正是它们的闪耀,给黑暗的宇宙增光添彩。

不过,当恒星衰老死亡后,其残留的核心将会演变成别的天体。

当残留核心的质量小于1.4倍太阳质量时,其会以白矮星的形式存在。

如果恒星发生超新星爆发,残核的质量超过1.4倍太阳质量即钱德拉赛卡极限,则恒星将坍缩成为一颗中子星。

中子星的质量介于1.4倍太阳质量与3倍太阳质量之间。

如果超新星爆发后恒星残骸的质量超过3倍太阳质量即奥本海默极限, 则其会演变成黑洞。

白矮星、中子星和黑洞被统称为致密星,而一颗恒星最终会演化成哪种致密星,这主要取决于该恒星的质量。

致密星,顾名思义就是密度非常大的天体。

密度有多大呢?这么说吧,一颗恒星演变成白矮星后,大小将只有地球这般大,其密度能够达到一吨每立方厘米以上。

如果恒星残核坍缩成中子星,其直径就只有20~40公里,密度将达到惊人的1亿吨每立方厘米以上。

此密度约等于原子核的密度,也就是说中子星就仿佛是一颗巨型原子核。

至于黑洞的密度,这个目前科学家也没有一个准确的结论。

金属锇是地球上已知密度最大的物质,密度为22.5克每立方厘米。

金属锇的密度与中子星的密度相比,差距真的是太大了,真的很难想象一立方厘米如何塞下1亿吨的物质,但事实就是如此恐怖。

很多人之所以认为1亿吨每立方厘米不可能,这是因为他们不清楚原子核究竟有多空旷。

物质是由原子构成的,物质之所以能够被压缩,是因为原子之间存在间隙。

其实原子也能够被极大的压缩,因为原子核非常小,核外电子也非常小。

虽然原子核的质量占整个原子质量的99%以上,但它的体积却仅占原子空间中的很小一部分,如同太阳与太阳系那般。

在宇宙中除了会出现极端密度,还会出现极端温度,比如恒星核心处的温度可以高达数千万摄氏度。

对于人类这凡夫俗体来说,100摄氏度人类都难以承受,上万摄氏度,几乎啥物体都得融化,而数千万摄氏度真的是难以想象。

此外,人类对宇宙的了解也知之甚少,因为人类现在在宇宙中所看到的物质,只占整个宇宙物质总量的5%,余下百分之95则是暗物质与暗能量,人类对那余下的95%几乎一无所知。

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