宇宙膨胀与银河系与仙女星系相撞的疑问

伴随着人类对宇宙的探索,越来越多的宇宙现象引起了人们的关注和研究。
在我们的生活中,我们经常可以听到宇宙膨胀的说法,即宇宙以超光速的速度不断地膨胀着。
但是,如果宇宙以这样的速度膨胀,为什么还会出现银河系和仙女星系相撞的现象呢?这似乎与我们之前的认知有些不符。
本文将探究这一问题,并尝试解答这一疑惑。
所谓"宇宙超光速膨胀"其实并不严谨
在讲述银河系和仙女星系相撞前,我们先来梳理一下关于宇宙膨胀的说法。
所谓"宇宙超光速膨胀",其实并不太严谨。
我们可以把宇宙想象成一个巨大的球体,里面布满了无数的星系。
宇宙的膨胀速度其实是指星系之间的相对速度,它可以是超光速的,也可以是慢于光速的。
当宇宙中两个点之间的距离达到一定的程度时,这两个点因为宇宙膨胀而相互远离的速度可以超过光速。
这就好比在一条无限长的标尺上,两个点之间的距离越大,它们之间的距离增加速度就越快。
因此,对于宇宙中两个星系之间的距离而言,如果距离越远,其相对速度就越高。
这种现象被称作哈勃流,其远离速度与距离成正比关系。

哈勃常数:衡量宇宙膨胀速度的重要指标
哈勃常数被广泛认为是衡量宇宙膨胀速度的重要指标。
通过观测和测量,天文学家发现,在距离地球1亿光年的地方,星系之间的相对运动速度差不多是每秒400公里。
换句话说,每秒1光年的距离中,星系之间的距离增加400公里。
在这个速度下,我们可以想象得到,50亿光年的距离对于宇宙来说其实并不算远。
而从实际测量数据出发,我们知道,对于宇宙空间中的两个点而言,它们之间的距离每增加1百万秒差距(约为326万光年),其相互远离的速度就会增加67.80(±0.77)公里/秒,这也被称为"哈勃常数"。
然而,这并不代表两个距离为1百万秒差距的星系之间的相对速度就是67.80(±0.77)公里/秒。
这一速度只是在星系之间的距离达到1百万秒差距时,距离的增加速度,而真实的速度还须考虑其他条件如引力等的影响。
星系运动的两种因素:本动与哈勃流
除了通过"哈勃流"对宇宙膨胀速度进行测量之外,星系的引力也是影响星系运动的重要因素。
一般来说,星系之间相互引力是恒定的,但是具体表现会受到相对运动状态的影响。
在天文学中,对于星系的相互运动而言,会有本动的存在。
本动是指星系以自身旋转或者自由飞行等方式相对于宇宙运动,与哈勃流不同的是,本动的速度与距离成反比例关系,即距离越近,相互的运动速度就越快。
这也意味着,两个距离较近的星系之间,其相对运动受到的哈勃流的影响就比较小,而相互吸引的引力就会产生一定的作用,也就是说两个星系之间的距离会不断缩小。
当然这缩小的速度一定要受到宇宙膨胀速度的影响,这就给了两个星系之间的运动带来了复杂性,需要我们分析和研究。

为什么银河系和仙女星系会相撞?
回归到文章开头的问题:银河系和仙女星系会相撞的原因是什么?我们回归上面所提到的本动和哈勃流的影响,可以这样来解释。
根据之前的介绍,我们知道银河系和仙女星系之间的距离约为254万光年,其距离相对于宇宙尺度而言还是比较近的,因此它们之间的相互吸引作用比哈勃流的影响更为显著,并且它们之间的相对运动又处于向心的状态,导致两个星系相向而行,距离不断缩小,并最终相撞。
通过上述对于银河系和仙女星系相撞的原因进行分析,我们可以得到一个更加全面清晰的认识。
宇宙的膨胀速度主要通过哈勃流来衡量,而对于星系之间的相对运动,除了哈勃流的影响之外,还有本动这个因素的存在。
在这种情况下,当两个距离较近的星系相向而行时,由于相互作用的结果,两个星系之间存在的引力会超过哈勃流的影响,使得它们不断地相向而行,并且最终相撞。
整个宇宙的运动规律十分复杂,但是只要我们能够认真的学习和探究,就一定能够获得更加深入的理解。
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.
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