#头条创作挑战赛#
当你走在沙滩上，温柔细腻的沙子拂过你的脚尖，此时的你是否会有这样一个奇妙的想法：宇宙中的恒星是否也如地球上的沙子一样多？
恒星是宇宙的重要组成部分，所以很多人都好奇，宇宙中到底有多少恒星呢？
恒星比沙子还不值钱
首先我们需要知道的是，目前人类口中直径为936亿光年的宇宙其实是可观测宇宙，简单来说就是人类所能观察到的最大宇宙空间，由于宇宙每时每刻都在不断膨胀，所以可观测宇宙以外的范围人类是无法观测到的。
明白这个概念之后，我们就以可观测宇宙空间内的恒星与沙子做一下对比。
可观测宇宙
首先地球上的沙子主要存在于地壳区域，当然组成地壳的部分并不只有沙子，还有其它岩石或者金属，按照这个思路，科学家们按照地球上陆地的覆盖面积，以沙子层平均厚度为6米来计算，最终大约计算出地球上沙子的总数量大约为2500万亿亿粒。
那么接下来我们来估算一下宇宙中恒星的数量，恒星是包含在各个星系之中的，而在宇宙中最为我们熟知的星系包括人类所在的银河系、仙女系、触须星系、赛格二号星系等，虽然都是星系，但是不同星系之间的大小却不同。
比如仙女系的大小是银河系的1.6倍，而赛格二号星系又比仙女系小一些，所以基于这种情况，科学家就用银河系的大小作为星系的平均值来进行估算宇宙中恒星的总数量。
银河系内的恒星大约有3000亿颗，而根据科学家的推测，宇宙中又有2万亿个星系，我们取银河系的恒星数量为平均值，最终算出来宇宙中的恒星数量大约有6000万亿亿颗。
通过粗略的计算我们得知，宇宙中的恒星比地球上的沙子还要多，虽然真实的情况会与计算的结果出现误差，但是地球上的沙子毕竟是有限的，而宇宙中的恒星却是无限的。
在宇宙不断膨胀和星系不断诞生的条件下，恒星的数量也在猛增。
新恒星如何诞生？
宇宙每时每刻都在发生着变化，而恒星的数量也是变数之一。
恒星不是永恒的，如果体内用于核聚变的元素耗尽，那么恒星的生命也将走到尽头，无论是成为白矮星、中子星还是巨大的黑洞，这都是恒星们的归宿。
不过有逝去便会有新生，虽然宇宙中的恒星随着时间的推移会走向死亡，但同时有大量的恒星也会诞生于这广袤的宇宙之中。
而孕育恒星的摇篮，便是以创生之柱为代表的尘埃星云。
我们以太阳为例，根据科学家的推测，50亿年前的太阳还未出生，太阳系所在的位置只是一片尘埃星云。
有一天，在距离这片尘埃星云不远的地方，发生了一次超新星爆炸，强大的冲击力像一剂催化剂冲进了太阳系所在的星云里，受到力的作用后，星云不断坍缩，最后形成了太阳以及原始行星盘，最终太阳系便诞生了。
而我们现在的宇宙环境中，便存在着大量的尘埃星云。
或许你一直以为，宇宙空间内星体才是主要组成部分，其实所有的星体加起来不过占据宇宙的20%左右，暗物质、暗能量以及这些尘埃星云才是组成宇宙的主要部分。
这些星云就好像是恒星的育婴室，在某个机缘巧合下会进行坍缩，最终新的恒星以及其恒星系内的星体便会随之诞生。
前面提到的创生之柱，便是宇宙中恒星最为聚集、活动最频繁的区域之一，这个距离地球6500光年的奇特景象，每时每刻都有大量的恒星走向生命的尽头，而这些恒星会以爆炸的形式完成自己的落幕表演，爆炸的能量又会催生周围新的恒星的诞生。
如此循环，恒星源源不断的产生，而这仅是宇宙中的一处恒星诞生的光景。
137亿年前，一个密度极高的质点发生了爆炸，从那一刻起宇宙便诞生了。
宇宙的诞生，给予空间内的生机，随后星系、恒星系、行星等接二连三的诞生，宇宙的演变就此开始，生命的演化也有了契机。
人类可能数清恒星数量吗？
实现星际穿越是人类的梦想，与外星文明进行星际通讯也是人类一直以来的所追求的目标，但是随着科学技术的不断发展，这些目标反而变得渺茫，因为我们慢慢的对宇宙空间有了更清晰的认知——宇宙实在是太大了。
一直以来，人类坚信在太阳系以外会拥有外星文明。
这个想法可以理解，因为在6000万亿亿颗恒星的体量下，总会有和地球相似，处于绝佳位置能够孕育文明的行星。
但是科学家发现宇宙时时都在膨胀这个结论后，遇到外星文明的机会变得渺茫。
宇宙在膨胀，说明空间内的星系在不断地远离，原本还存在于可观测宇宙范围内的恒星，很可能被推移到光都到不了的可观测宇宙范围之外，而根据宇宙的演变规律，这些恒星之间只会变得越来越远。
假设可观测宇宙内真的存在外星文明，也很有可能去到人类看不到的空间内。
我们以太阳系为中心，随着时间的推移，人类文明或许真的会成为可观测宇宙中的一座孤岛。
说到这里，不得不再泼一盆冷水，且不谈可观测宇宙的范围，到目前为止人类还没有突破太阳系的枷锁。
为了能够将人类的信息送出太阳系，在上世纪七十年代开始，美国就为此做了准备，他们发射了旅行者1号和2号探测器，试图让它们在几十年的时间里冲出太阳系的范围，所以一直到今天，旅行者号们仍然在宇宙中漂泊着。
那么四十年过去了它们流浪到了哪里呢？答案是：仍在太阳系的范围内，甚至还没到边缘地带。
真正的太阳系范围内，并不只有八大行星，在海王星以外还有一个以冥王星为代表的柯伊伯带，仅仅在这个区域内便有成千上万颗行星，更不用说在柯伊伯带以外还有巨大的奥尔特星云及高达几万度的火墙。
所以仅仅是一个太阳系就够人类忙活上上百年的时间了，更不用说更大的银河系、以及宇宙空间。
人类探索宇宙道路任重而道远，但是人类也不要灰心，因为随着科技的不断发展，人类文明的等级也会随之升级，到那时人类开拓宇宙空间的效率会成加速度增长。
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
