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夜晚为什么是黑色的?天文学家:因为我们的宇宙在超光速膨胀

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-24

当我们在城市晴朗的夜晚仰望星空时,漫天的繁星也许可以让我们短暂地忘掉现实的烦恼,将自己置身于无垠的宇宙,思考许多关于人生的宏大命题。

但由于城市的光污染越来越严重,你可能已经很久没有见过璀璨的银河了。

我们都知道,在我们头顶的天空上有多达数十亿颗会发光的恒星,按照常理来讲,这么多星星应该布满了夜空的每一个点,填满了整片的夜空,它们可以把黑夜照得像白天一样亮。

但是为什么即使在没有光污染甚至人迹罕至的郊区,我们所看到的星星也无法照亮黑夜呢?

难道是有一块黑色的幕布遮住了它们吗?

德国天文学家奥伯斯在1823年就提出了这个疑问,并且在1826年完善为奥伯斯佯谬,又称为夜黑佯谬或光度佯谬。

它的详细阐述为:假设我们的宇宙是处于静止状态,也就是稳恒态,并且宇宙是无限大的,时空也是平直的,有无数个均匀分布在各处的发光星体。

虽然这些发光星体的亮度和距离的平方成反比,也就是离我们越远的星星亮度就会越暗一些。

但是在一定距离上,这些发光星体的数量也应该和距离远近成正比,这样一来虽然遥远的星星暗了一些,但我们能看到更多的星星,黑夜的天空应当是无限亮的。

奥伯斯自己首先试图对这个奇怪的现象进行一个合理的解释。

他以太阳为突破口,认为太阳离我们够近了吧,但它的光线在照到地球上时依然有不小的损耗,而更遥远的恒星光线在传播过程中,会受到宇宙空间内诸如尘埃云、行星带等的阻挡。

这就导致在漫长的距离中,最后能直接到达地球的光线已经很弱了。

但这样的理论并不能站得住脚,因为虽然光线在路途中会被损耗,被尘埃云和行星吸收光线,但热力学第一定律告诉我们,能量是不会凭空消失的。

物质在吸收光线的同时也在吸收着光线中的能量,自身的温度会上升,然后把光线重新发射出来,其次光在宇宙中会被散射,但光所辐射的能量基本是没有亏损的,虽然直接到达地球的光线减少了。

但光在散射时会增强背景的光亮,即使星星暗淡了,天空的背景也应该是亮的。

所以用光的散射和折射来解释奥伯斯的佯谬显然是失败的。

究竟是哪里出了问题,导致理想模型中的天空和我们实际看到的不一样?

重新关注回奥伯斯佯谬本身,它具有三个必要的前提条件:

首先宇宙的静止的

其次宇宙在空间是无限大的

最后恒星是均匀分布在宇宙中的

但首先第一个条件就不存在,因为20世纪20年代美国天文学家哈勃发现了宇宙膨胀现象,彻底打破了以往的稳恒态宇宙模型,将宇宙学引入了大爆炸时代。

宇宙大爆炸理论认为宇宙在遥远的过去处于奇点状态,并且在大爆炸发生后也不是无限大,而是一个超光速膨胀的空间,因此第二个条件也不存在了。

在前两个条件都不存在的情况下,考虑到光在宇宙中只能以每秒30万公里的速度飞行,所以遥远恒星发出的光很有可能还没飞到地球,如果再考虑到宇宙本身的超光速膨胀的话,宇宙中相当一部分恒星发出的光,是永远无法到达地球的。

最重要的一点,恒星在远离我们时,可见光波段的光谱谱线会向红端移动一段距离,越遥远的星系移动的速度越快,以至于有些光已经红移到微波的波长。

而微波是人眼看不见的,变成了宇宙微波背景辐射,因此地球夜空才会以黑色为主,而如果人眼能看到微波的话,地球夜空将无比璀璨。

总而言之

我们之所以看不到星星照耀整片夜空,并不是有什么黑色的幕布遮住了它,而是宇宙不断膨胀导致的结果。

我们在看繁星时也在回溯着宇宙的过去,一束跨越宇宙到达眼中的星光,可能在它出发时,地球还在一片尘埃云中孕育着。

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

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