夜晚璀璨的星空,其实是宇宙的一种假象,因为哈勃望远镜和韦伯望远镜的巡天结果都表明:我们的宇宙是非常空旷的。

确切来说,由于普通物质只占了宇宙质能总量的5%,所以我们看到的一切星系和恒星,都只是真实宇宙的点缀而已,在宇宙中真正占据主流是无尽的虚空,或者说宇宙空洞,所以真实的宇宙在天文学家眼中就是一包薯片,看起来满满当当,其实里面大部分都是空的。
根据哈勃和韦伯拍摄到的宇宙深空场,天文学家预计在直径930亿光年的可观测宇宙内至少有2万亿个星系,在照片里它们基本都遵循各向同性原理,即无论朝哪个方向长曝光,最后看到的星系的数量都差不多。
然而如果把范围扩大到百亿光年,从宇宙微波背景辐射图上看的话,一切就都不一样了,因为星系们在百亿光年的尺度上已经不足以布满整个宇宙了,它们会成团的聚集在一起,然后彼此之间延伸出星系构成的细丝,这种结构被称为宇宙长城,长度往往在百亿光年左右,超新星团则是宇宙长城之间的节点。

当大量超星系团节点和宇宙长城互相连接的时候,宇宙中的星系们就成了网状结构,其中的虚空就是宇宙空洞,或者说超级空洞。
现有的宇宙学理论认为,宇宙空洞是在引力作用下自发形成的,因为星系们不足以占据全部的宇宙空间,剩下的大部分只好由暗物质和暗能量填满,同时由于这两者不与其他物质发生作用,所以就只能以空洞的形式存在了。
很多人对空洞的空旷没什么感觉
举例来说,地球上的空气中,每立方厘米范围内有10的19次方个原子,太空中的物质密度是每立方厘米几个原子,而空洞的物质密度只有太空的十分之一,属于太空范围内真正的空旷地带,在空洞范围往往动辄就几百万光年数亿光年的情况下,天文学家认为如果银河系位于空洞内部的话,人类直到今天也不会发现其他星系。
1981年被天文学家发现的牧夫座空洞,是一个直径3.3亿光年的虚空区域,它内部虽然也有星系,但分布密度要比空洞外稀疏上百倍,因此这种空洞在宇宙微波背景辐射图上,会呈现蓝色斑点结构,这是因为那里星系少所以辐射少,星系多的地方就是红色斑点了。

目前宇宙中最大的冷斑,位于微波背景辐射图上右下角,它被称为CMB,或者说是法尔南德斯超级空洞,它的直径达到了惊人的13亿光年,即便是放在整个可观测宇宙里,这也是相当大的一个范围了,因此不少天文学家都认为,CMB内存在大量暗物质和暗能量,是生命的禁地。
总体来看
宇宙中的空洞就像是无边的海洋,而星系们更像是海中的岛屿,生命和文明就在这些星系岛上诞生和发展,但如果仔细想想,空洞们的存在似乎就是为了隔开各个星系,也许这就是费米悖论的答案之一。
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.
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