随着科学理论的发展和观测技术的进步,我们对宇宙的了解越来越深,我们知道了恒星的诞生过程,预测了星系未来的演化。

但宇宙中仍有很多谜团,是我们不了解,甚至是永远解不开的。
宇宙诞生之前是什么样的,宇宙外面是什么,宇宙最终会走向何方?
现在的主流观点认为,宇宙诞生于138亿年前的一个密度无限大体积无限小的致密奇点,这个奇点里没有时间和空间的概念,没有任何已知的物理化学规则。
在10的负43次方秒内,奇点发生了爆炸,并以远超光速的速度向外扩张,时间 空间的概念于此刻出现。
10秒钟后,宇宙的雏形诞生了,随着温度的下降,狂暴的能量开始转化成夸克 电子等基本粒子,然后这些基本粒子逐渐结合成了原子分子。
在万有引力的作用下,这些分子原子汇集到一起,形成了庞大的分子云。
随着分子云的体积越来越大,其中心的压力和温度也越来越高,当温度和压力超过临界点之后,核聚变就发生了,宇宙里的初代恒星--蓝巨星出现了。
随着蓝巨星核聚变反应的持续进行,构成蓝巨星的主要元素-氢,不断聚变成更重的氦锂铍硼等更重的元素,当聚变到铁时,核聚变就进行不下去了,蓝巨星也进入了演化末期。
当蓝巨星产生的能量不足以对抗自身引力后,它就会发生超新星爆发,在极短的时间内释放出了相当于一生辐射总和的能量。
类似于黄金的重元素就在这一过程中生成。
蓝巨星爆炸时抛射出来的重元素,就形成了类似于地球的岩质行星,残留的氢气体云就为二代恒星的诞生提供了物质基础。
我们头顶上的太阳,就是一颗二代恒星。
经过138亿年的演化,宇宙变成了现在的样子。

这就是接受程度最广的宇宙诞生理论,而宇宙诞生之前的奇点,是人类无法想象无法理解的存在,至于奇点外面是什么,奇点出现之前是什么样的,我们根本无从得知。
目前,我们观测到的宇宙半径大约是465亿光年,以地球为中心,我们能观测到的宇宙就是一个半径为465亿光年的球状空间。
通过对远方的星系进行观测后天文学家发现,宇宙仍在加速膨胀,越远的星系远离我们的速度就越快。
465亿光年外的星系的远离速度已经超过了光速,所以这些星系发出的光永远也到达不了地球,我们也就不可能观测到465亿光年外的宇宙空间。
至于整个宇宙有多大,对于现在的人类来说还是一个超纲问题。
关于宇宙外面是什么,目前有两种猜测。
有的科学家认为,宇宙大到无法想象,没有边界,也就不存在“外面”。
也有科学家认为,宇宙存在边界,我们的宇宙外面是更广阔的虚无空间,这个空间里漂浮着无数和我们宇宙类似的宇宙泡,这些宇宙被统称为多元宇宙。
但这也只是推测,毕竟我们连太阳系都走不出去,对于无限远的宇宙深空,只能根据已有的发现进行推测。
前面说了,宇宙仍在加速膨胀,就有科学家据此推测宇宙以后的走向及最终结局,他们认为,宇宙会一直膨胀下去。
星系彼此间的距离会被膨胀的宇宙空间越拉越远,每一座星系都会变成星光孤岛,周围不会再有任何星系。

然后,星系也会被膨胀的空间拉散,最后就连分子原子都会被扯碎,这就是大撕裂理论。
另一种理论认为,宇宙膨胀到一定程度后就会停止膨胀。
再过无数年后,宇宙里的恒星全部熄灭,密度最大的黑洞也以霍金辐射的方式蒸发干净,宇宙各处的温度能量完全一致,整个宇宙进入漆黑的死寂状态,这就是大热寂理论。
还有科学家在大热寂理论的基础上做了延申,宇宙停止膨胀后,会在万有引力的作用下回缩,远离的星系顺着原路返回。
最终,整个宇宙重新缩小成一个奇点,然后奇点再次爆炸,形成新的宇宙。
以上这三种理论也只是猜测,相比于无边无际的宇宙,寿命只有百十年的人类实在太渺小,也许我们穷尽一生,都走不出地球,更不可能解开这些宇宙谜团。
但对于宇宙的好奇心,就是人类前进的原动力,终有一天,我们的后代会走出太阳系,向着无垠的宇宙深空进发,现在困扰着人类的谜团,也会被我们的后代逐一解开。
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