作为一架价值百亿美元的望远镜,韦伯升空以来就一直在不断拍摄宇宙深处的目标天体,你现在看到的这张照片,就是韦伯拍摄到的宇宙大爆炸之初诞生的700个星系。

在这700个星系里,有6个是在宇宙大爆炸后700万年形成的星系,是现阶段宇宙中所有星系的鼻祖,按理来说当时刚诞生的宇宙,产生的星系质量都不会太大,因为根本没有那么多恒星,但此次韦伯望远镜拍摄的这些星系却表明,它们的内部星系数量和银河系相当,并且质量体积也跟银河系差不多。
这就很诡异了,因为根据宇宙大爆炸理论,宇宙中的星系是从小到大从少到多,逐渐碰撞融合才形成今天的星系格局的,韦伯这次发现的远古星系质量和体积这么大,就说明目前人类关于宇宙早期的预测全都错了。
在这种情况下,韦伯望远镜这次拍摄的远古星系照片价值就很高了,因为哈勃望远镜虽然也拍到过135亿光年外的星系,但哈勃是在可见光波段拍摄的,值得分析的数据并不多,而韦伯望远镜从中红外波段拍摄的这600个星系,将让天文学家破解宇宙早期就诞生大星系之谜。

目前的研究结果显示
韦伯这次拍摄到的星系虽然质量和体积都很大,但边缘部分并不平滑,这意味着它们在诞生之初也经历了若干次和其他星系的碰撞融合,唯一不同的就是它们碰撞融合的时候宇宙还很小,因此它们其实是在宇宙的暴涨时期完成融合的,即大爆炸后300万年内,若干小星系在引力作用下变成了更大的星系,然后被韦伯望远镜观测到了。
根据这个理论,韦伯目前拍到的这些大体积星系其实是宇宙的第二代星系,在它们之前应该还存在大量体积更小的星系,只不过韦伯现在还没发现它们。
在韦伯望远镜长达24年的研制历史上,天文学家们是希望它升空后能直接看到宇宙大爆炸之初的景象的,也希望它能拍到138亿光年外的星系,因为宇宙才138.2亿岁,拍到138亿光年外的星系就等同于看到了宇宙大爆炸。
然而就目前的情况来看,尽管韦伯望远镜为了防止地球光污染已经跑到了150万公里外,但想靠他直接看到宇宙大爆炸还是很有难度的,韦伯望远镜归根结底还只是代替哈勃望远镜的第二代太空望远镜,不论是尺寸还是成像能力都只是现阶段人类文明的极限,而不是未来人类文明的极限,因此它并不能完全解读整个宇宙。

再者说,现在的天文学是两条腿走路
除了现在的韦伯望远镜和哈勃望远镜外,射电望远镜也是很重要的天文观测工具,比如我国的FAST射电望远镜就是目前地球上最强大射电望远镜,它虽然无法直接对目标进行拍摄成像,但它能收到黑洞和中子星独有的电磁信号,然后发现它们的存在。
如果外星文明真的存在于宇宙中,射电望远镜也将首先收到它们的电磁波信号,至于韦伯望远镜和哈勃望远镜,虽然它们能拍到百亿光年外的星系,但却连系外行星的地表都拍不到,所以找外星人还得靠射电望远镜。
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