宇宙中存在着各种神秘而壮观的景象,其中之一就是宇宙空洞。

通过哈勃望远镜和韦伯望远镜拍摄的宇宙深空图像显示,我们的宇宙在大尺度上展现出了各向同性的特征,即数以万亿计的星系均匀地分布在宇宙中。
然而,宇宙空洞并不仅仅是空无一物。
事实上,星系只占据了宇宙质能总量的5%,剩下的95%是由暗物质和暗能量组成的。
这些暗物质和暗能量形成了被称为宇宙空洞的区域,其中最引人注目的是直径达到3.3亿光年的牧夫座空洞。
很多人对空洞的第一印象是其中什么也没有,然而事实上,宇宙空洞内部同样存在着星系,只是它们的分布密度要比空洞外部小得多。
举个例子,在同等空间范围内,宇宙其他地方可能存在1万个星系,而在牧夫座空洞中只有60个星系。
考虑到这种情况,天文学家庆幸地发现,我们的银河系并不位于空洞内部。
如果银河系位于牧夫座空洞中,天文学家可能会错误地认为宇宙中只有银河系一个星系。

从可观测宇宙的百亿光年尺度来看,直径为3.3亿光年的牧夫座空洞内部只有60个星系,犹如星系沙漠中的一片巨大空地。
这种与周围环境格格不入的现象表明之前哈勃望远镜和韦伯望远镜观测到的均匀星系分布只是一种假象。
在直径为930亿光年的可观测宇宙中,星系实际上呈网状结构,彼此通过宇宙长城相互连接。
我们的银河系位于拉尼亚凯亚超星系团中,它是宇宙长城的一个节点。
宇宙长城之间的虚空形成了牧夫座空洞等结构。
虽然这些空洞中没有太多星系,但大量的暗物质和暗能量存在其中,导致这片时空的温度明显低于宇宙的平均温度。
正是因为这个原因,宇宙微波背景辐射图的右下角出现了蓝色的冷斑点。
除了牧夫座空洞,天文学家还在波江座方向发现了一个直径达到10亿光年的超级空洞。
当这个超级空洞被发现时,天文学家甚至误以为看到了宇宙边界的宇宙墙,后来才发现它是一个超级空洞。

关于宇宙空洞的形成原因,天文学家目前还没有一个完美的解释。
由于我们的宇宙在大爆炸时是均匀的,因此宇宙空洞可能是在宇宙大爆炸后的引力平衡过程中逐渐形成的。
在这个过程中,暗物质和暗能量开始聚集在某些区域形成了空洞。
另一种可能性是空洞的形成与宇宙膨胀有关,宇宙膨胀的速度可能在某些区域比其他区域更快,导致星系在这些区域内稀疏分布,形成了空洞。
宇宙空洞是宇宙中一种特殊的区域,其中星系分布稀疏,暗物质和暗能量较为集中。
通过研究空洞可以帮助我们更好地理解宇宙的结构和演化,以及暗物质和暗能量的性质。
然而,对于空洞的形成和性质仍然存在很多未解之谜,需要进一步的观测和研究来揭示。
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