
行星、恒星、尘埃云、星系等我们所有已知的宇宙结构,和物质能量的各种形式,都包含在宇宙之中,正所谓"天地方圆为宇,古往今来为宙",从古至今,人类没有停下过对宇宙探索的脚步。
公元前2世纪,古希腊学者欧多克斯首先提出了日心说,他认为地球是宇宙的中心,包括太阳在内的其他天体都围绕着地球运动,后来托勒密对该理论进一步发展完善,建立了世界上第一个完整的行星体系模型:地球处于宇宙中央,人们在夜晚看到的其他星星,是包裹着宇宙的一个天球,上面镶嵌了很多恒星。
现在看来,当时人们对宇宙的描述与想象有些过于狭小了,但其实后来的天文学家,对宇宙的大小估计也很保守。
在一百多年前,科学家们还认为宇宙只有银河系,银河系就是宇宙本体,也就是所谓的宇宙孤岛模型,直到美国天文学家埃德温.哈勃发现:根据造父变星的尺度衡量,仙女座星云的间距是远远超过银河系直径的,这意味着仙女座星云并不在银河系之内,也就是说,宇宙中并非只有一个银河系。
1世纪的今天,我们知道了地球是银河系几乎可以忽略的极小一部分,而银河系又是宇宙中不起眼的存在,地球在宇宙中,就像一粒沙子在撒哈拉大沙漠里。

但宇宙中的星系们彼此之间还是很能抱团取暖的,在彼此引力场的作用下,或大或小的星系都聚拢在了一起,形成了一个个星系群,星系群又组成了星系团,星系团组成超星系团,超星系团彼此联合起来形成复合体,复合体再往上就是宇宙长城了,若干条长城盘根错节,成了我们现在看到的宇宙网状结构。
那么宇宙中,究竟存在多少个星系?
想要回答这个问题,我们肯定不能一个个数,只能借助太空中的哈勃望远镜,让它采用抽样调查的方式。
也就是先在夜空中划定一个相对宇宙来说很小的区域,然后通过太空望远镜持续曝光,再加一些不同光波长的探测设备辅助,最后呈现出这个小区域的星系照片。
在哈勃望远镜于2003年公布的超级深场中,天文学家们让哈勃瞄准3平方角分范围的一小部分天区,持续曝光了100万秒,最终在这张照片中发现了1万个星系,不要忘了,这还只是全天区面积的1270万分之一,跟针尖的大小差不多。
2012年,哈勃望远镜用同样的办法获得了哈勃极深场,这次的曝光持续了50天,观测范围是全天区面积的3200万分之一,最终获得了5500个星系的成像,其中最古老的星系远在132亿光年外,几乎就是宇宙大爆炸后诞生的第一批星系。
通过若干次哈勃深场的拍摄,天文学家和宇宙学家们认为,可观测宇宙内至少有2000亿个和银河系类似的星系。

但2016年,诺丁汉大学的一个科研团队通过研究哈勃极深场,辅以星系在不同时间段演化,提出了一个星系密度的公式,该公式的计算结果表明,可观测宇宙中的星系数量要比2012年时多10倍,也就是说可观测宇宙内,至少存在将近2万亿个星系。
考虑到宇宙正在诞生新的星系,这个惊人的记录在未来很可能还会被打破,而且不要忘了,2000亿也好2万亿也罢,都只是可观测宇宙内的数据,在465亿光年外,广阔的未观测宇宙中,一定还有大量未被发现的星系,只是它们的退行速度已经超过了光速,人类永远看不见它们而已。
但不要灰心,如果不出意外的话,随着本月底NASA新一代望远镜,詹姆斯.韦伯望远镜的发射升空,这个相当于哈勃ProMax版的超级望远镜,是有能力发现更多星系的,并且它还能看到宇宙大爆炸之初发生了什么。
总体来说,虽然有生之年我们无法亲眼目睹宇宙的宏大与美妙,也无法理解宇宙对于人的意义,但作为宇宙中为数不多的智慧生命,人类能亲眼见证宇宙的和谐与美,那怕只是粗浅的一小部分,本身就是很美好的事。
不要忘了,宇宙的最不可理解之处,在于它是可以理解的,宇宙的最可理解之处,在于它是不可理解的。
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