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宇宙的80%都是超级空洞,人类看到的星系,只占了5%?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-28

很多人想到宇宙,脑海里浮现的都是太阳系或者银河系,再深入一点就是漆黑的太空背景上点缀的无数个星系。

然而在天文学家看来,宇宙中除了恒星和星系还有很多其他我们看不见的东西,比如暗物质,再比如暗能量,它们加起来占到了宇宙95%,也就是说人类目前看到的宇宙,其实只有宇宙的20分之一。

在星系等物质只占宇宙5%的情况下,它们自然就不可能填满整个宇宙了,所以我们能看到星系与星系之间数百万光年的空旷区域,而在几十亿光年的尺度上,你会发现星系们自发组成了类似大脑神经元的纤维结构,一条条纤维就是一条条宇宙长城。

正如大脑内部的神经元彼此之间也有空隙一样,宇宙长城之间也存在大量空洞,这些空洞被认为是暗物质和暗能量堆积的地方,天文学家首次意识到空洞的存在,是在1981年计算星系远离地球的速度时候,当时他们发现在距离地球700万光年的地方,有一个直径330万光年但内部几乎不存在星系的球状空间。

后来它被称为布特斯空洞,因为它似乎位于布特斯星座,也就是北极附近的犁牛星座,这也是人类发现的第一个空洞。

如果我们以上帝视角光速离开地球,那么当我们越过太阳系和银河系,越过本星系群和本星系团,进入到拉尼亚凯亚超新星团这样直径几亿光年的区域时,我们会发现星系们形成了密集的团簇,每个团簇就是一个类似拉尼亚凯亚超星系团的存在。

科学界目前认为,宇宙空洞的种子或者说胚胎在宇宙大爆炸不久后就存在了,因为在恒星和星系们出现之前,宇宙中的物质分布还比较均匀,所谓的差异还只是这里的物质多一百万分之一,那里的物质少一百万分之一,但随着恒星的形成以及宇宙的膨胀,引力开始不断让恒星组成星系再吸引周围的星云物质。

由此带来的后果就是宇宙中的物质逐渐都围绕在了星系附近,而星系们又不足以塞满整个宇宙,所以最开始的空洞的种子们在这个阶段开始迅速变大,随着宇宙网状结构的初步形成,宇宙空洞们也就形成了。

韦伯望远镜的观测结果表明,宇宙中80%的空间都被宇宙空洞占据着,但它们内部的暗物质只有宇宙总质量的10%,一般的空洞直径都在300万光年到3亿光年之间,比如直径2.7亿光年的牧夫座空洞就属于超级空洞。

此外也有天文学家认为空洞之间也能互相融合,进而变成更大的空洞,这是因为我们宇宙一直在超光速膨胀,所以宇宙长城会有断裂的风险,一旦断裂真的发生,那么原本位于两侧的空洞就会融为一体成为新的空洞。

总体来看

宇宙中的空洞仍是一种神秘的现象,它们的存在挑战了我们对宇宙的理解,但它们也为我们提供了理解宇宙的独特途径,通过研究空洞我们也许能够解开暗能量的谜团,揭示更多关于宇宙的秘密。

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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