在我们的宇宙中,大约有2万亿个星系存在,银河系只是其中之一,而且还是一个比较年轻的星系,因为它内部仍有恒星诞生。

然而在有些星系里,氢元素的密度已经不足以再形成新的恒星了,所以这种星系只能是宇宙大爆炸之初就存在的星系,也被称为宇宙化石星系,通过研究它们,天文学家就能复原宇宙大爆炸早期的宇宙状态。
韦伯望远镜目前就发现了这种星系
从公布的照片上来看,这个椭圆形星系被一个爱因斯坦环所包裹,由此带来的引力透镜现象刚好把这个星系的图像放大了,因此韦伯望远镜才能看到它,类似的情况在之前的哈勃望远镜身上也发生过,事实上引力透镜或者说爱因斯坦环,已经成了天文学家发现远距离黯淡星系或者恒星的主要方式,它可以在特定的角度把远方天体的光芒,利用引力透镜放大数百万倍,从而被我们看到,就像宇宙中的放大镜一样。
有的天文学家甚至认为,未来我们也许能找到太阳的引力扭曲点,进而用太阳的引力扭曲远方的空间结构,搭建一个引力望远镜,这样一来望远镜的口径将达到恒星大小,能轻松看到系外星系的表面图像。

回到此次的化石星系上来看
由于韦伯望远镜的观测频段主要在中红外,所以此次收集的也是这个信息的红外光,这种光和可见光相比能穿透尘埃和气体,再加上引力透镜效应的放大作用,韦伯望远镜此次看到的这个星系初步判定是在宇宙大爆后三亿年内诞生的,并且内部的氢元素并不算多,因此才早早停止生产恒星,变成一个死寂的星系。
其实除了这个星系外,韦伯望远镜还发现了很多年龄很大的星系,它们都是在宇宙大爆炸之后数亿年内诞生的,都属于宇宙第一批星系,然而细细分析后天文学家发现它们有点不合规矩,简单来说就是质量太大了,在宇宙大爆炸刚结束的时候,宇宙中是没有那么多物质来形成这么多的大星系的,更重要的是没有足够的时间让星系形成演化。
但事实是它们就是出现了,宇宙早期也确实存在这么多大星系,这只有两个解释,第一是宇宙早期的星系形成和演化速度可能比后来快很多,第二是宇宙的年龄可能不是138亿年,而是更久远的一个数字,这样一来星系们就有了充足的时间去形成和演化。
科学界目前倾向于第二种情况,即宇宙的年龄有误,并且还计算出了新的宇宙年龄是256亿年,几乎是之前的两倍。

如果这一数字得到最终确认的话,整个宇宙的智慧文明数量以及外星生命的种类将远超我们想象,同时太阳系附近如此寂静的情况,也将迎来新的解释,即太阳系附近区域可能是宇宙中的低级文明保护区,就像地球上的自然保护区一样,高级外星文明一直在观察人类的发展,并且偶尔还会实地探索一下,也就是UFO。
当然了
以上这种情况还是太科幻了,不过在发现真正的外星文明之前,一切皆有可能。
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