宇宙尺度与人类探索的"翅膀"：宇宙大小与飞船技术解析

人类仰望星空时，总会被浩瀚星河震撼。

从地球到银河系，再到可观测宇宙的边界，宇宙的尺度远超日常经验。

与此同时，人类为探索宇宙研发的航天器——宇宙飞船，正以科技之力突破地球引力束缚。

本文将以科普视角解析宇宙的真实大小，并揭秘宇宙飞船的构造与探索使命。

宇宙的边界：一场跨越138亿年的膨胀史诗

根据爱因斯坦广义相对论与宇宙微波背景辐射观测，可观测宇宙的直径约为930亿光年。

这一数字源于宇宙自大爆炸后持续膨胀的效应：138亿年前，宇宙仅是一个温度极高、密度极大的奇点，随着空间膨胀，早期光子逐渐冷却形成如今2.725K的宇宙微波背景辐射。

若将宇宙诞生至今的时间压缩为一年，人类文明仅出现在最后12分钟，而银河系的形成则发生在1月13日。

宇宙的膨胀速度远超直觉。

例如，银河系与室女座星系团中的M61星系，136亿年前距离仅4万光年，如今已分离至5000多万光年。

更令人惊叹的是，宇宙可能并无实际边界。

部分理论模型推测，宇宙空间或许是平坦或轻微弯曲的无限延展结构，人类观测到的930亿光年仅是光速限制下的"可见范围"。

宇宙飞船：人类探索星海的"生命方舟"

宇宙飞船是载人航天的核心工具，其设计需解决三大难题：生命维持、重力脱离与安全返回。

以苏联"东方1号"为例，这艘1961年发射的首艘载人飞船由载人舱与设备舱组成：

• 载人舱：直径2.3米的密封球体，内置生命保障系统（供水、供氧）、姿态控制系统（调整飞行方向）、信标系统（定位轨道）及应急弹射座椅；

• 设备舱：长3.1米，搭载制动火箭（脱离轨道）、电池（供电）、气瓶（储气）等，总质量达4700千克。

现代宇宙飞船已发展出单舱、双舱与三舱构型。

中国"神舟"系列采用三舱设计，增加轨道舱用于科学实验，登月舱则专为月面着陆设计。

尽管技术迭代，但所有飞船仍面临资源限制：受限于携带物资，载人任务通常不超过半个月，且飞船多为一次性使用。

光速飞船：理论突破与现实挑战

若以光速（每秒30万公里）航行，抵达4.22光年外的比邻星仍需4年，而跨越930亿光年的可观测宇宙则需超越时间本身。

科学家提出三大理论突破方向：

1. 虫洞穿越：通过时空扭曲形成的"捷径"，理论上可瞬间连接遥远区域，但需负能量物质维持结构稳定性；

2. 曲率驱动：压缩前方空间、膨胀后方空间，形成"泡泡"包裹飞船，实现超光速移动，但需消耗相当于木星质量的能量；

3. 量子纠缠通信：利用粒子纠缠实现瞬间信息传递，但无法传输物质，仅能辅助远程操控探测器。

即便技术成熟，光速飞船仍需面对时间膨胀效应：当飞船速度接近光速时，船内时间流速变慢，宇航员返回地球时可能已跨越数十年。

此外，宇宙辐射、微陨石撞击与极端温度（-270℃至数亿℃）也对飞船材料提出严苛要求。

从地球到星辰：人类探索的永恒命题

宇宙的尺度与飞船的技术，本质上是人类对未知的征服欲与科学精神的缩影。

从苏联"东方1号"到中国"神舟"系列，从近地轨道到月球采样，每一次突破都在重新定义"边界"的含义。

尽管可观测宇宙已远超人类想象，但正如霍金所言："我们之所以探索，是因为有人愿意冒险。

"未来，随着核聚变能源、纳米材料与人工智能的进步，宇宙飞船或许能真正成为连接星海的桥梁，而宇宙的终极奥秘，终将在人类永不熄灭的好奇心中逐渐显露。

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