平时咱们点外卖、收快递,只要填入自己的地址,哪怕原本东西是在天涯海角,都能找到这个位置从而赶过来。

全世界几十亿人,所有的地点都在地球之内。
那如果将范围扩大到太阳系乃至整个宇宙,原本庞大的地球,又是否有自己的坐标地址,用于定位呢?
给地球一个详细的地址坐标太阳每天跟我们相伴,这就是地球所在的太阳系。
地球的直径超过了12000公里,而从地球到太阳之间的距离,则达到了1.5亿公里。
如此远的距离,还仅仅只是从地球开始,到太阳之间的太阳系范围。
在地球的外侧,也就是向着远离太阳的方向延伸,还有遥远的一段距离和更庞大的范围。
而这片浩瀚的区域,依然属于太阳的管辖范围。
太阳系有界而无边,从太阳开始向边界延伸,直线距离为123个天文单位。
什么是天文单位呢?可以简单理解为一种压缩化的距离展示单位,因为按照地球上常规的尺度单位来表述的话,数字后面会呈现出一长串的零,根本无法表达。
按照天文学的界定,1个天文单位,就是地球到太阳之间的距离即1.5亿公里,那123个天文单位,也就是184亿多公里。
是不是感觉这已经很远了,可如果将范围缩小的话,从太阳到太阳系的边缘,只相当于你在1.8米宽的床上翻了个身。
晴朗的夜晚你能看到长长的天河,而它正是太阳系所在银河系的一部分。
我们所看到的天河,连银河系的一角都算不上,因为整个银河系的直径超过了10万光年。
新的尺度单位又来了,1光年是什么概念呢,要63000个天文单位的距离,才能达到1光年,换算成公里的话,就是94500亿公里。
而这点距离,才构成了银河系直径的十万分之一。
所以银河系庞大,大到我们难以窥见其全貌。
太阳系所在的位置,仅仅是银河系的一条支臂即猎户支臂上。
而每晚我们肉眼所看到的全部星空,仅仅是猎户臂到英仙臂之间的一小段空域。
形象一点说,如果从银河系走到其边缘地带,相当于你起床站了起来。
银河系之外,是将其囊括于其中的本星系群。
它的范围有多大呢?其直径超过了1000万光年。
在这种尺度之下,整个银河系又成了微不足道的小点。
先别觉得这已经够大了,在本星系群的周围,至少有100个大小类似的星系群和星团。
它们簇拥在一起,又共同构成了范围更大的室女座超星系团。
其直径大到连光年这样的尺度都有些渺小了,直径1.1亿光年,穷尽一切可能都无法描述这有多大。
可实际上,从银河系到本星系群,再到更大的室女座超星系团,只相当于你起床站了起来,而后又走到了卧室的门口。
这时候把卧室门打开,整个客厅的空间,好比是拉尼亚凯亚超星系团,它的直径达到了5.2亿光年,庞大的区域内至少囊括了10个星系团。
你是不是觉得这已经大到无法用语言形容了,别着急,等你打开屋子的大门,就会看到一个更大的世界。
同样,5.2亿光年对整个宇宙来说也是一个小不点,在可观测宇宙范围内,类似拉尼亚凯亚超星系团这样的庞大结构,至少有两万亿个。

也因此,整个可观测宇宙的范围,它的直径已经超过了900亿光年。
这并非极限,仅仅目前理论上所能探知到的宇宙范围。
有一种观点认为,整个宇宙空间,比可观测宇宙大了整整15后面再加22个0倍。
也有观点认为,在宇宙的天体结构中,超星系团和纤维状结构,就是组成天体的最大结构了。
在天文学概念中,这类结构还有一个新颖的名字——长城,也可以叫巨墙。
因为如果能开启上帝视野的话,由天体星系等组成的结构,在宇宙空间内就像一堵墙。
如此一来,地球所在的位置,仅仅是这堵墙上一块砖里的一个分子。
而地球所在的位置,从太阳系到银河系,再到本星系群和室女座超星系团,最后到拉尼亚凯亚超星系团,这才构成了长城的一部分。
那么新的问题又来了,我们知道了地球在宇宙内的具体方位,那么这个方位在宇宙之中,又具体在什么位置呢?
换言之,这里是宇宙的中心呢还是边缘地带?宇宙的中心又在哪里呢?
宇宙有中心吗?其实这个问题,也可以缩小到地球的范围内来看待。
从人类社会的概念看,是有中心的。
比如每个国家都有首都,这座城市就可以理解为行政上的中心。
再比如世界上有联合国组织,其办公所在地纽约,也可以理解成处理国际事务的中心。
但是,这些中心的概念,都是在人类社会内划定的。
换句话说,是人类给各种中心加上了特点的含义。
如果剥离人类社会的所有概念,从地球的角度看,整个星球可以说没有中心,又或者说每个点都是中心。
因为它是一个球体,所以在地球表面任何一个点上,都可看作是整个球体的中心。
从这个角度去看,历史上的地心说似乎也没什么不妥,该观点将地球看作是中心。
可错误的地方在于,地心说认为天上的日月星辰是绕着地球转动的,甚至将地球看作是整个宇宙的中心。
一直到哥白尼的日心说出现,人们才逐渐理解了地球原来是绕着太阳转动的。
虽然地球不再是中心位置了,然而哥白尼的学说,又错误的将太阳看成是宇宙中心了。
这也没办法,古代观测条件毕竟有限,人们就是觉得太阳很特殊,所以才将其理解为宇宙中心。
直到20世纪初,天文学家逐渐观测到了银河系,才一步步证实太阳并不是什么中心。
然而在当时,有一部分天文学家认为,银河系就是宇宙全部,于是银河系又成了宇宙的中心。
直到哈勃通过测算,证实仙女座星系并不在银河系之内,人们这才渐渐明白,银河系并非整个宇宙,自然也做不了宇宙的中心。
于是,同样的问题就还在哪里,宇宙的中心究竟在哪里呢?到1917年,爱因斯坦提出了一个静止的宇宙模型观点。
按照这一理论,宇宙是有限但无界的,这就跟地球类似,只不过它整体是一个四维空间。
因为没有边界,所以就不存在什么中心,或者说到处都是中心。
到了20世纪20年代,哈勃的测定发现宇宙处于膨胀状态。
这样一来,不要说银河系或者太阳系,就连地球都可理解为宇宙的中心。

因为宇宙处于膨胀的状态下,所有星系都在彼此远离。
假设别的星系上也存在智慧生命,他们也可以把所在地理解为宇宙的中心。
而且,大爆炸理论已经得到了进一步证实,那么爆炸之前的那个点,是不是就可理解为宇宙的中心呢?
这样去理解并不太准确,因为在大爆炸发生后,所有的天体都在彼此远离。
所以,这还是相当于宇宙到处都是中心,可这处处是中心,实际上也就等于没有中心。
既然宇宙没有中心,那它究竟有无边界呢?
宇宙的边界墙被发现了?还在2018年,有消息说天文学家在100亿光年外,发现了一条跨度达到了35亿光年的真空带,一时间这里被认为是宇宙的边界墙。
可实际上,被发现的边界墙,仅仅是宇宙内的大尺度结构。
正如上面所提到的,星系群簇拥在一起,组成了宇宙空间内的大尺度结构。
这些结构是三维的,而且它整体上并不规则,所以在天文学界,常常将其称为网状结构,或者是纤维状结构。
形象一点理解,就像是丝瓜的内瓤,那些丝状结构,犹如宇宙空间里的大尺度结构。
而且在宇宙中,这种结构是相当普遍的。
也就是说,由地球太阳系乃至银河系的簇拥和排列组合,都构成了大尺度结构,而这些超大的结构,又像墙体一样是连接在一起的。
之所以会如此,是因为按照万有引力的定律,高密度的区域有着很强的引力,它会不断通过吸附将物质聚合起来。
由此形成马太效应,密度的地方会越来越密集,反之稀疏的地方也就越来越稀疏。
所以在宇宙空间内,有的地方密布着星系,有的地方则相对较空。
而这些都构成了宇宙的全貌,但那些密集的形成像长城和巨墙的区域,它们又并非宇宙的边界。
大爆炸之前又是什么目前关于宇宙的研究,所有观点和理论都集中在大爆炸之后,很多人还是会疑惑,在这之前又是什么呢?
按照天文学家的解释,现在的框架结构是依照大爆炸的理论组成的,那么就不会存在大爆炸之前这个问题,因为现有的理论只是针对爆炸之后的宇宙而解释的。
为了解决这个问题,天文学界又把概念进一步前推到了奇点,可依然是无法解释奇点之前是什么。
也就是说,现有的理论和观点,都只能解释宇宙生成之后的事,至于前面的,可以理解成没有那个概念。
结语就像宇宙没有中心一样,宇宙本身的状态,也是从奇点开始之后,才产生了现在科学家所能理解和解释的各种概念。
当然,所谓的奇点,也不是说宇宙空间内存在这样一个小的区域,而是指整个宇宙时空内,密度和能量都处在无限大的一种状态。
你可以理解成,宇宙的一切都是从这种状态开始的。
而且不管你怎么去理解,都推导不出之前是什么。
这就像是楚门的世界,又像是不识庐山真面目,只缘身在此山中。
因为我们身处宇宙这个系统之内,难以跳出这个系统之外,自然就无法解释之外的世界究竟是什么了。
参考资料:
《别再说五道口是宇宙中心 宇宙可能根本没中心》 科技日报 2022年5月31日
《大爆炸之前,宇宙的中心在哪里?》 中科院科学传播研究中心 2021年8月23日
《宇宙边界现身波江座?你想多了》 科技日报 2018年11月29日
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