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你是否曾在晴朗的夜晚,抬头仰望星空,任思绪飘向那深邃无垠的宇宙?点点繁星,如同散落在黑色天鹅绒上的钻石,闪烁着迷人的光芒,自古以来,人类对宇宙的探索从未停止,从古老的占星术到现代的天文学,我们从未停止追问:宇宙究竟是什么?那些遥远的星体,它们真的如我们肉眼所见静止不动吗?
打破静止的宇宙观图片来源于网络
在人类文明的早期,人们普遍认为地球是宇宙的中心,太阳、月亮和星星都围绕着地球旋转,这种地心说统治了人们的思想长达数千年,直到16世纪,波兰天文学家哥白尼提出了日心说,才彻底颠覆了人们的认知,哥白尼认为,太阳才是宇宙的中心,地球和其他行星都围绕着太阳旋转,这一革命性的理论,如同宇宙中的一道闪电,照亮了人类探索宇宙的道路
即使是日心说,也仅仅揭开了宇宙奥秘的一角,随着天文观测技术的不断发展,科学家们逐渐意识到,宇宙并非静止不动,而是在不断地运动和变化着,地球不仅自转,还以每秒约30公里的速度绕着太阳公转,如果将地球比作一位舞者,那么它就是在宇宙这个巨大的舞台上,跳着一支永不停歇的圆舞曲
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银河系:一个巨大的旋转舞台地球的公转只是宇宙运动的一个缩影,事实上,整个宇宙都处于不断的运动之中,我们的地球身处太阳系,而太阳系只是银河系中数千亿颗恒星中的一员,银河系是一个巨大的棒旋星系,直径约为10万光年,中心厚度约为12万光年,拥有至少1000亿颗恒星,以及大量的星团、星云和星际物质
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如果将银河系比作一个巨大的城市,那么恒星就是城市中闪烁的灯光,这些灯光并非静止不动,而是沿着不同的轨道,围绕着银河系中心旋转,恒星的运动速度各不相同,有些恒星运动速度较慢,如同悠闲漫步的行人;
而有些恒星则以极高的速度在星际空间中穿梭,如同疾驰而过的赛车
银河系中恒星的运动,并非杂乱无章,而是井然有序,它们在银河系巨大的引力作用下,沿着各自的轨道,如同跳着华尔兹的舞者,旋转、跳跃,构成了一幅壮丽的宇宙画卷
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宇宙中的隐形巨手:巨引源是什么力量,驱动着庞大的银河系不断运动?科学家们发现,在距离银河系约15亿光年的地方,存在着一个巨大的引力源,它被称为巨引源,巨引源的质量相当于数千个银河系,它强大的引力吸引着银河系以及周围数十个星系,以每秒约600公里的速度,朝着它所在的方向运动
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巨引源的本质至今仍是一个谜,一些科学家认为,巨引源可能是一个超大质量黑洞,它吞噬着周围的物质,释放出巨大的能量;
而另一些科学家则认为,巨引源可能是一个由暗物质构成的巨大结构,它不发光,也不反射光,因此难以被直接观测到
无论巨引源的真实面目是什么,它都像一只无形的巨手,操控着银河系以及周围星系的命运,引导着它们在宇宙中跳着永不停歇的舞蹈
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伴随星系:银河系的邻居在浩瀚的宇宙中,银河系并非孤独的存在,它周围还存在着数十个较小的星系,它们被称为伴随星系,这些伴随星系,如同银河系的邻居,与银河系之间存在着引力相互作用
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其中,距离银河系最近的伴随星系是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系,它们分别距离银河系约16万光年和20万光年,这两个星系,如同银河系的两个小卫星,围绕着银河系旋转
伴随星系的存在,对银河系的演化产生了重要影响,大麦哲伦星系和小麦哲伦星系,就曾经多次与银河系发生碰撞,这些碰撞事件,不仅改变了银河系的形状,还促进了银河系中新恒星的诞生
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宇宙的华尔兹永不停歇
宇宙并非静止不动,而是在不断地运动和变化着,从地球的自转和公转,到银河系的旋转,再到巨引源的牵引,宇宙中的每一个天体,都在跳着一支永不停歇的华尔兹
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人类对宇宙的探索,才刚刚开始,未来,随着科学技术的不断发展,我们将揭开更多宇宙的奥秘,更加深入地理解宇宙的运动规律,以及人类在宇宙中的位置
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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