一个世纪以来,天文学家们对宇宙的探索范围越来越大。

不到百年之前,人们还认为银河系就是我们的整个宇宙,而如今我们知道宇宙里包含了千亿个银河系这样的星系。
哈勃望远镜在太空中工作了数十年之久,带给人类很多让我们感到震撼的太空照片。
从图中可以看出,一片漆黑的深空,闪烁着光点,那不是恒星,而是更为庞大的星系。
由于我们的宇宙在不断超光速膨胀,星系之间的距离被拉得越来越远。
科学家们计算得知,我们的宇宙(可观测宇宙)的直径大约930亿光年。
由于宇宙在超光速膨胀,可观测宇宙外面发出的光永远到不了地球,那里发生的一切都与我们没有关系。
但可以预见的是,可观测宇宙外面仍旧会是宇宙。
那么宇宙到底有多大?浩瀚宇宙的外面还有什么呢?科学家计算出可观测宇宙的大小,真实的宇宙到底有多大?
首先,何为宇宙?
爱因斯坦提出这样的观点:宇宙是所有空间和时间的总和,这与我国古代对宇宙的描述不谋而合:四方上下曰宇,往古来今曰宙。

但时间是没有尽头的,加上时间和空间是不可分割的整体,意味着我们找不到时空结构的边界。
再者,从目前的主流理论,宇宙大爆炸理论来说,我们的宇宙并不是平坦的,里面充满了各种弯曲和扭曲。
有人说宇宙大爆炸就像一个不断被吹大的气球一样,其实这种说法不太严谨,只是一种形象的表达而已。
这就意味着,即使你能永远朝着一个方向走,也不可能走到宇宙外面,就像在地面上行走不能走出地球一样。
同时,要讨论“宇宙外面”这个话题,必须有一个前提,那就是:宇宙是有边界的。
那么我们的宇宙有没有边界呢?
其实,讨论“宇宙的边界”没有多大意义,甚至是一个伪命题。
因为就目前的观测来看,我们的宇宙存在“各向同性”,也就是说,不管从哪个地方观察,看到的基本上都是一样的太空。
举个例子,我们所谓的“可观测宇宙”的直径是930亿光年,其实就是以地球为中心测量出来的。
但事实上,宇宙是没有中心的,地球也不可能是宇宙的中心。

根据刚才的“各向同性”,即便你在火星上测量宇宙直径,甚至到银河系中心测量,得到的数字也会是930亿光年。
这说明什么?
说明宇宙是没有中心的,也不存在边界。
有人可能会提出这样的疑问:既然宇宙一直在膨胀,那么到底往哪个方向膨胀呢?往哪里膨胀呢?
其实宇宙从奇点开始的膨胀并不像我们点燃爆竹那样,不是从一个点开始的,而是处处都在膨胀,宇宙膨胀不需要所谓的“空间”,因为它本身就是空间。
对于膨胀的宇宙来讲,没有所谓的“外面”,统统都在“里面”。
当然,宇宙大爆炸并不是真理,它也是不完美的,将来或许有更高级的理论代替它。
比如说,有科学家就提出多重宇宙理论,认为有无数个宇宙存在,我们的宇宙只是其中之一罢了。
如此说来,宇宙的外面会是其他的宇宙,没有尽头!
关于宇宙大小这个问题的探索不会停止,或许我们永远找不到答案,但这并不妨碍人类一直朝着这个方向不断探索下去!
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