星系是宇宙中最为庞大、神秘的天体之一，其演化历程一直是天文学家们关注的焦点。
宇宙的婴儿时代是宇宙历史中最早期的阶段，一个充满神秘的时期，被称为“宇宙的黎明”，在这个时期，宇宙还年轻而炽热，充满了高能的粒子和辐射。
在20世纪初，天文学家们对宇宙的起源提出了各种猜想，但真正的突破发生在20世纪中期，通过对宇宙背景辐射的观测，科学家提出了宇宙大爆炸理论。
宇宙大爆炸发生后，宇宙经历了极端的高温和能量密集状态，在这个时期，宇宙的基本粒子形成，包括夸克、电子等。
而随着宇宙不断膨胀，宇宙中的物质开始凝聚成更为复杂的结构，婴儿时代的宇宙可能经历了一次短暂但剧烈的快速膨胀，被称为宇宙的“暴涨”阶段。
在宇宙的婴儿时代，温度和密度极高，使得质子和中子能够发生高能碰撞，形成氦、氢等轻元素，这一过程被称为原初核合成，是宇宙中元素丰富度的基础。
婴儿时代的宇宙中，除了我们熟知的物质，还存在着未被直接观测到的暗物质和暗能量，这两者在宇宙的演化中扮演着关键的角色，影响宇宙结构的形成和演变。
在宇宙的婴儿时代，密度波动可能导致一些区域的物质坍缩，形成了黑洞，这些黑洞被认为是宇宙早期形成的一种奇特天体，对宇宙的演化产生着不可忽视的影响。
宇宙的婴儿时代奠定了宇宙演化的基础，而如今，宇宙仍在持续星系的初生时刻是宇宙演化中一个关键的阶段，标志着星系的形成和发展。
在这一时期，巨大的分子云开始坍缩，形成恒星，并最终聚集成星系的结构，星系形成的过程始于宇宙中的分子云，这些巨大的云团中含有丰富的气体和尘埃。
当这些分子云受到外部的扰动或密度波动时，就会启动星系形成的过程，这一启动是星系初生的开始。
分子云中的气体和尘埃开始坍缩，由于引力作用，云体积减小，密度增加，这一坍缩过程导致分子云中的气体局部升温，形成高温、高密度的核心区域，最终演化为星系的中心。
在星系初生时刻，分子云中的气体和尘埃逐渐聚集形成原恒星，这些原恒星是星系演化的基石，它们的形成标志着星系中心区域的丰富能量和物质交换。
随着星系中心区域的形成，周围的物质也逐渐被吸引到中心，形成星系盘，星系盘是星系中承载大部分物质和恒星的区域，它的形成标志着星系整体结构的建立。
星系初生时刻，分子云坍缩形成星系盘的过程中，角动量的守恒是一个重要的物理原则，这导致星系盘的旋转运动，形成了星系自身的旋转结构，为后续的星系演化提供了动力学基础。
星系的形态在初生时刻开始塑造，旋转运动和物质分布不均匀引导了星系的结构形成，一些星系可能呈现螺旋臂，而另一些可能更趋向于椭圆形。
在星系的初生时刻，一些恒星可能经历生命周期的结束阶段，发生超新星爆发，这些爆发释放出大量的能量和物质，影响周围的星系环境，推动星系中物质的再分布。
星系初生时刻还标志着星系中的化学元素逐渐丰富，原恒星的形成和演化释放出丰富的重元素，这些元素在星系中逐渐传播，影响星系内部的化学成分。
星系初生时刻，各种过程如恒星形成、超新星爆发等相互作用，维持着星系的能量平衡，这一平衡状态是星系演化的动力学基础，决定了星系中物质和能量的分布。
在星系演化的过程中，恒星的形成是一个关键的环节，恒星汇聚成星系的中心，驱动着星系内部的物质循环和演变。
恒星的质量是影响星系演化的关键因素之一，大质量恒星更容易形成于富含重元素的区域，而小质量恒星则可能形成于贫金属的环境。
恒星不仅以个体形式存在，还以群组和星团的形式聚集，恒星群是由数百至数千颗恒星组成的区域，而星团则是更为紧密的星际家族。
星系中的恒星主要形成于分子云中的恒星形成区域，这些区域由大量气体和尘埃组成，通过引力和压力的作用，促使恒星的诞生。
不同质量的恒星经历的阶段不同，大质量恒星可能在爆发中结束其生命，释放出大量能量和物质，而小质量恒星则可能通过缓慢冷却进入白矮星阶段。
恒星通过核聚变过程释放出大量的能量，这影响着星系的环境，超新星爆发、恒星风等过程产生的能量和物质通过星系中的气体和尘埃传播，影响着星系内部的物质循环和演变。
星系的结构与其中的恒星分布密切相关，恒星在星系中的分布和运动形成了星系盘、中心区域以及螺旋臂等特征，这些结构反映了星系内部动力学和物质交流的复杂性。
恒星演化过程中释放出的重元素对星系的化学丰富度有着重要贡献，这些重元素通过超新星爆发等事件传播到星系中，影响星系中物质的组成和丰富度。
星系的旋转是由其中的恒星运动引起的，恒星的分布和运动状态影响着星系的整体旋转，而星系的旋转又影响着其中物质的分布和演化。
这一相互作用使得星系在恒星的作用下呈现出多样性的形态，星系内部的恒星群体动力学是星系稳定性的关键因素。
恒星的繁荣标志着星系的盛世时刻，它们以各种形式存在，从原恒星到巨大的恒星聚集体，共同驱动着星系内部的物质流动和演变。
星系的演化历史如同一部宇宙的史诗，记录着时光的流逝，我们通过对星系的深度考察，仿佛穿越了亿万年的时空，感受到宇宙的奥秘和恢弘。
在未来的探索中，星系将继续为我们展现新的面貌，引领我们更深入地探索宇宙的时光之旅。
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
