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宇宙学新发现:相对于早期宇宙星系是处于静止状态的

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-28

(神秘的地球uux.cn报道)据cnBeta:研究宇宙的科学家们有一个被称为"平庸原则"的最受欢迎的哲学,它在本质上表明,与宇宙的其他部分相比,地球、太阳或银河系确实没有什么特别之处。

现在,科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)的新研究为"平庸"的论点增加了另一个证据。

平均而言,相对于早期宇宙,星系是处于静止状态的。

该校天体物理学教授杰里米-达林于2022年5月26日在《天体物理学杂志通讯》上发表了这一新的宇宙学发现。

"这项研究告诉我们的是,尽管我们认为自己处于一个有趣的运动中,但这与我们对宇宙的一切了解是一致的--这里没有什么特别的事情发生,"达林说。

"作为一个星系或观察者,我们并不特别。

"

大约35年前,研究人员发现了宇宙微波背景,它是宇宙大爆炸期间形成的电磁辐射。

宇宙微波背景在我们运动的方向上显得比较温暖,在远离我们运动的方向上显得比较冷。

从这个早期宇宙的光芒中,,科学家可以推断出太阳--以及围绕它运行的地球--正以一定的速度向某个方向运动。

研究人员发现,我们推断的速度是光速的几分之一,很小,但不是零。

科学家们可以通过计算从地球上可见的星系或将它们的亮度相加来独立检验这一推论。

他们能够做到这一点,主要得益于阿尔伯特-爱因斯坦1905年的狭义相对论,该理论解释了速度如何影响时间和空间。

在这个应用中,一个在地球上的人朝一个方向--与太阳和地球移动的方向相同--向宇宙望去,应该看到更明亮、更蓝、更集中的星系。

同样,从另一个方向看,这个人应该看到更暗、更红、间隔更远的星系。

但是,当研究人员近年来试图计算星系时--这是一个难以准确做到的过程--他们得出的数字表明,太阳的运动速度比以前认为的要快得多,这与标准的宇宙学是不一致的。

达林说:"在整个天空中计算星系是很难的,你通常只能在一个半球或更小的范围内计算。

而且,除此之外,我们自己的星系也会碍事。

它的尘埃会使你找到更少的星系,并且当你接近我们的星系时,会使它们看起来更暗。

"

达林对这个宇宙学难题感到好奇和困惑,所以他决定亲自调查。

他还知道有两项最近发布的调查可以帮助提高星系计数的准确性--并揭示出速度之谜:一项是位于新墨西哥州的甚大阵列天空调查(VLASS),另一项是位于澳大利亚的快速澳大利亚平方公里阵列探路者连续调查(RACS)。

"我喜欢这个想法,爱因斯坦很久以前告诉我们的这个基本原理是你可以看到的。

这是一个非常深奥的东西,看起来超级奇怪,但如果你出去数星系,你可以看到这种整齐的效果。

它并不像你想象的那样深奥或奇怪。

"- 杰里米-达林

这些调查使达林能够通过将南、北半球的景色拼凑在一起来研究整个天空。

重要的是,新的调查还使用了无线电波,这使得它更容易"看"穿银河系的尘埃,从而改善了宇宙的视野。

当达林分析这些调查时,他发现星系的数量和它们的亮度与研究人员之前从宇宙微波背景中推断的速度完全一致。

他说:"我们发现了一个明亮的方向和一个暗淡的方向--我们发现了一个有更多星系的方向和一个有更少星系的方向。

最大的区别是,它与宇宙微波背景中的早期宇宙一致,而且它有着同样的速度。

"

由于达林的发现与过去的结果不同,他的论文可能会促使各种后续研究来证实或质疑他的结果。

但是,除了推动宇宙学领域的发展之外,这篇论文还能为我们提供一个新的思路。

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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