宇宙超光速膨胀其实不违反物理定律
可观测宇宙的范围远远超出了以光年为单位的其年龄，因为在遥远光线传播的过程中，空间本身已经膨胀了。
然而，即使在这片广阔的区域内，一些星系也注定会永远从视野中消失。
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宇宙的膨胀使得宇宙距离远不如简单测量光传播了多久那样直观。
膨胀的宇宙让距离更难定义，因为光在传播时空间一直在膨胀。
天体持续发光，但当这些光向我们传播时，星系之间的平均距离在增加（是的，我知道有时星系会碰撞，但我们这里说的是平均情况，在大尺度上）。
当来自遥远星系的光经过数十亿年的传播最终到达望远镜时，它展示的是该星系过去的样子。
它无法直接告诉我们这个星系现在有多远。
为了估算它现在的距离，天文学家会使用一个宇宙学模型，该模型会考虑光传播期间宇宙膨胀了多少。
主导模型被称为ΛCDM，它既包含暗物质（不同章节）也包含暗能量（不同章节）。
其优势和局限性可以讨论（不同章节），但替代模型通常不会对基本图景产生太大改变。
膨胀拉伸了可观测宇宙
我们能看到的最远距离——考虑到宇宙自诞生以来一直在膨胀——大约为450亿光年。
这个距离被称为粒子视界、宇宙学视界或共动视界，具体称呼取决于你当下想用哪种说法。
这就是我们可观测宇宙的范围，也就是我们此刻能看到的最大范围。
但是等等，45难道不大于13.77吗？这难道不意味着宇宙膨胀的速度比光速还快吗？是的，是的，确实如此。
这没什么大不了的。
那是因为光速限制只适用于局部观测——我永远不会看到火箭飞船以超过光速的速度从我身边飞驰而过。
如果你认为这是某种作弊手段，那不是；这就是狭义相对论的构建方式。
宇宙边缘的物体可以拥有任意速度，因为它们距离遥远。
红移揭示了宇宙退行速度更快
事实上，我们可以通过红移来计算任何物体的当前速度。
如果一个星系正在远离我们，它的光就会向电磁波谱的红端移动。
这正是埃德温哈勃最初发现宇宙膨胀的方法。
在膨胀的宇宙中，越遥远的物体退行速度越快，因为它们和我们之间有更多的空间在膨胀。
而物体将以超光速远离我们的转折点，正好位于哈勃距离处。
第二个地平线限制了未来的光线
我们仍然能观测到这些星系，因为到达我们这里的光在数十亿年前就开始了它的旅程，那时它们距离我们近得多。
一些更远的星系也可能因为同样的原因随着时间的推移变得可见。
然而，存在一个被称为宇宙学事件视界的边界（它与黑洞的事件视界略有不同）。
它位于大约170亿光年之外。
从该距离之外现在发出的光，无论我们等待多久，都永远不会到达我们这里。
由暗能量驱动的宇宙加速膨胀，使得这个界限变得更加重要。
宇宙学事件视界会继续膨胀，最终稳定在约600亿光年左右。
即便如此，我们也无法看到所有事物。
来自最遥远星系的光会被红移到极长的波长，以至于这些星系实际上会消失不见。
大约1000亿年后，本星系群之外的所有星系都将永远从视野中消失。
改编自最初发表于《对话》的一篇文章。
相关知识
宇宙是时间、空间及其中所有物质与能量的总和，包含恒星、行星、星系、星云等天体，也有暗物质、暗能量这类未完全探明的成分。
主流理论认为它起源于约138亿年前的大爆炸，此后不断膨胀演化，其边界和最终命运仍是人类持续探索的重要课题。
BY: Paul Sutter, Universe Today
FY: AI
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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
