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宇宙的直径930亿光年,那么宇宙的外面到底是什么?

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-11

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!

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