宇宙是非常辽阔的,目前的观测数据表明,仅仅是可观测宇宙的直径,就长达930亿光年,其外可能还有空间,但我们现在还看不见。

阻碍我们视线的,是宇宙时空本身的超光速膨胀,因此以每秒30万公里速度固定飞行的光子们,很多是永远飞不到地球的,因为发出这批光子的星系们,远离地球的速度是远远超过光速的,具体来说,距离地球145亿光年外的星系,远离地球的速度就超过了光速,人类永远看不见它们。
但凡事总有例外
美国国家地理曾发布一条微博称:银河系和仙女座星系在40亿年后就要相撞了,快准备一下吧!
乍看之下这就是个愚人节玩笑,毕竟银河系与仙女座之间隔着几百万光年,而且科学家也说了,宇宙此刻处于加速膨胀状态,在一般人的想象中,银河系与仙女座是不可能相撞的,只会在未来距离越来越远,就像气球上的两个点会随着气球的膨胀而逐渐远离一样。
但仙女座星系在未来会和银河系相撞,其实不是玩笑,而是板上钉钉的事,准确来说,天文学界在100年前就预料到了这次撞击的发生。
让我们跳回20世纪20年代

当时的美国天文学家埃德温.哈勃,正在用威尔逊天文台的望远镜对仙女座进行观测,通过造父变星,计算出了到仙女座星系的距离,发现其已经超过了银河系的直径,由此确定了仙女座是另外一个独立于银河系的星系。
后来经过沃尔特.巴德的研究,关于仙女座更详细的信息也浮出水面:它的外表与银河系类似,但直径达到了22万光年,相当于银河系的1.5倍,是本星系群中最大的一个星系,其内至少有1万亿个星系。
如果对仙女座的研究到此为止,那么还算一切平安,真正让仙女座成为星系撞车事件主角的的,是它独特的蓝移数据。
在物理学中,如果一个光源正在远离观察者,那么它发出的光在光谱上,就会朝红色的一段移动,由此我们就能推断出光源在远离我们,而宇宙中绝大部分星系发出的光都在红移,就说明宇宙绝大部分星系都在远离我们,即宇宙在膨胀。
但254万光年外的仙女座星系的光谱,却反常向蓝色方向移动,也就是说仙女座星系正在靠近银河系,而且速度高达300km/s,如果这个速度不变的话,最快37.5亿年后,仙女座就会从侧面撞上银河系。
那么问题来了,为什么在加速膨胀的宇宙中,相隔254万光年的银河系与仙女座星系,在未来还会相撞呢?
其实归根结底,是因为宇宙膨胀的速度还不够快,或者说是星系之间远离彼此的速度,比不上彼此引力的强度。

最新的宇宙膨胀速度,也就是哈勃常数,是67.80±0.77(km/s)/Mpc,翻译过来就是每隔326万光年,宇宙膨胀的速度就会增加67.8km/s,由此可见,在几十万光年乃至几百万光年的小尺度上,宇宙膨胀的速度其实并不快,因此直径2光年的太阳系才能继续存在,而不是被宇宙膨胀之力撕开。
银河系与仙女座之间区区254万光年的距离,在宇宙尺度上其实就是邻居的关系,这两个星系对彼此施加的引力,要远远超过宇宙膨胀本身的力量,因此它们才能在加速膨胀的宇宙中继续靠近,并在未来撞到一起。
哈勃望远镜升空以来,其实拍到了很多星系碰撞的车祸现场,它们往往会在引力作用下搅成一团,然后经过漫长的恒星再分配和引力平衡后,形成一个新的大星系,但在这之前还会有一批恒星因为星系内部引力情况的再分配,而被甩出星系。
37.5亿年后地球上如果还有人类的话,将亲眼目睹一个无比璀璨的星空,同时也将面临随时被大质量恒星或者黑洞的引力弹弓弹飞的危险。
总体来看
银河系与仙女座的撞击虽然可怕,但跟目前的我们是没关系的,甚至和人类文明也没关系,毕竟谁也不知道人类文明在37.5亿年后还在不在银河系,如果运气不好的话,也许人类文明37.5亿年后就不存在了。
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