宇宙探索·宇宙萧条——太空中最孤独的地方
宇宙探索·宇宙萧条——太空中最孤独的地方
在宇宙深处，存在着一些比任何星系集群都要庞大的结构——它们不是星系，不是星云，而是 巨大的虚空。
天文学家称这些区域为"宇宙萧条"（Cosmic Void），它们是宇宙纤维状结构中最为神秘的部分。
什么是宇宙萧条
宇宙萧条是指宇宙中星系密度极低的大型区域，尺度可达数千万光年。
与充满星系的"宇宙纤维"和"星系团"形成鲜明对比，这些区域几乎空无一物，只有稀薄的气体和暗物质。
最早在1970年代，天文学家通过红移巡天发现了宇宙萧条的存在。
其中最著名的是 牧夫座空洞（Boötes Void），直径约3.3亿光年，内含仅约60个星系——按宇宙平均密度计算，这一区域应当有约2000个星系。
如果你身处牧夫座空洞的中心，四周的宇宙将几乎完全黑暗——最近的星系可能在数千万光年之外，那是人类肉眼永远无法看见的孤独。
宇宙萧条的形成机制
根据ΛCDM模型，宇宙萧条的形成可以追溯到宇宙极早期。
在暴胀时期结束后，原初密度扰动在宇宙中留下了微小的密度差异：
密度较高的区域：通过引力坍缩，吸引更多物质，形成星系和星系团 密度较低的区域：物质被周围高密度区域吸引走，逐渐演变成巨大的空洞这一过程被称为引力坍缩的宇宙筛分——就像筛子把大颗粒留在上面，把细沙筛到下面，宇宙也把物质筛到了纤维结构上，留下了空洞。
已知的重大宇宙萧条
通过SDSS（斯隆数字巡天）等大规模红移巡天，天文学家已经绘制了数千个宇宙萧条的分布图：
牧夫座空洞：直径3.3亿光年，1981年由Robert Kirshner发现 北方局部空洞：包围着本星系群，直径约1.5亿光年 巨引源空洞：位于拉尼亚凯亚超星系团后方，与巨引源的引力拖拽密切相关宇宙中有约40%的体积被萧条占据，但它们只包含了约8%的宇宙物质。
相比之下，仅占体积0.3%的星系团却包含了约50%的重子物质。
宇宙萧条与暗能量
近年来，宇宙萧条成为了研究暗能量性质的重要探针。
由于萧条内部物质密度极低，暗能量的排斥效应在那里表现得最为纯粹——没有强大的引力来抵消暗能量的膨胀。
观测发现，宇宙萧条的膨胀速度比周围区域更快，这为暗能量的存在提供了独立证据。
DESI（暗能量光谱仪）巡天发布的初步结果显示，通过测量萧条的大小分布，可以对暗能量状态方程参数给出有力约束。
未来的探测前景
随着JWST（詹姆斯·韦伯太空望远镜）和EUCLID卫星的投入运行，天文学家将能够更深入地探测宇宙萧条的内部结构：
JWST可以探测萧条内微弱的矮星系种群，揭示空洞星系的特殊性质 EUCLID的广域弱引力透镜巡天将绘制萧条的暗物质分布 SKA（平方公里阵列）将通过21厘米线巡天，探测萧条内中性氢的分布宇宙萧条提醒我们，宇宙的大部分体积是空的。
我们所在的银河系，只是宇宙纤维结构上一个小小的节点。
在数亿光年的虚空面前，人类的全部历史不过是刹那之间的微光。
DES Collaboration (2024). DESI 2024 Cosmological Results. Nature. Sloan Digital Sky Survey (SDSS) 斯隆数字巡天官网 Kirshner, R.P. et al. (2023). The Boötes Void Revisited. arXiv:2303.15626 ESA Euclid Mission 欧几里得卫星任务官网量子信息+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
