根据现在的天文理论，宇宙大约诞生于138亿年前，诞生之后一直就都在膨胀，现在能够被人类观测到的部分被叫作可观测宇宙，它的直径大约为930亿光年。
至于现在不能被人类观测的宇宙，其直径至少23万亿光年。
宇宙诞生之后，形成了大量的基本粒子，这些基本粒子就构成了已知宇宙中除暗物质、暗能量外的万物。
由于氢元素仅包含一个质子和一个电子，所以它是宇宙中最普遍的元素。
氢元素在引力的作用下形成了宇宙中最基本的组成单元——太阳。
这些太阳聚而成团，就成形成了大大小小的星系。
银河系就是一个包含上千亿颗太阳的星系，它的直径在10万光年以上。
宇宙中究竟有多少星系呢？
这虽然很难有准确的答案侦破纪实：但科学家依然有办法给出一个大概的数据。
宇宙究竟有多大，我们虽然不知道，但能够被人类观测到的那部分宇宙的体积是确定的，而宇宙中物质的密度也是可以测得的。
根据威尔金森微波各向异性探测器WMAP于2015年测得的数据，宇宙中的质能密度约为9.9×10^-27千克/立方米，极其空旷。
如此一来，科学家就能知道可观测宇宙中物质的总质量。
经过科学家的估算，整个可观测宇宙的物质总量大约为3.4×10^54千克，这其中包括了普通物质及暗物质、暗能量。
其中暗物质和暗能量占了宇宙中物质总量的95%，余下的5%才是普通物质。
现在宇宙中能够被人类直接观察到的星系就是由普通物质形成的太阳构成的。
星系有大有小，取其质量的平均值，这样就能估算出可观测宇宙中大概有多少星系。
经过计算，天文学家已经确定宇宙中至少有2万亿个星系。
此外，天文观测表明，宇宙中星系分布得比较均匀，如果我们用望远镜对准天空中某一区域拍个照，然后数一数照片中有多少个星系，再根据所拍摄区域占整个天空的比例，也能得知宇宙中大约有多少星系。
在2003年到2004年期间，哈勃望远镜用100多天的时间对准天空中一小块区域进行拍照，合成了一张大约包含1万个星系的天空照片——哈勃超深场HUDF。
其中距离地球最远的星系约有130亿光年。
而这一小片区域仅占全天空的1270万分之一的面积。
哈勃望远镜在2012年的时候还拍摄了“哈勃极超深场XDF”，哈勃极超深场拍摄了约占全天3200万分之一的区域，其中大约有5500个星系，其中部分星系距离地球有133.5亿光年。
据此科学家猜测，可观测宇宙中的星系数量大约在1,000亿到2,000亿左右。
受限于观测能力，这一数据明显低估了宇宙中的星系数量，仅为计算结果的1/10。
这么多星系，最大的星系究竟有多大呢？
天文观测表明，现在人类发现的最大星系是位于阿贝尔2029星系团中的一个名为IC 1101 的星系。
该星系距离地球大约10.5亿光年，其直径长达400万光年，是银河系的20倍。
由于体积巨大，该星系内部最少包含100万亿颗太阳，太阳数量是银河系的数百倍。
科学家猜测，IC 1101之所以如此巨大，可能是由多个星系碰撞合并形成，不然不可能这么大。
其实银河系在几十亿年后也会和仙女座星系合并，到时候新形成的星系内部的太阳数量将达到1万多亿颗，不过这仍不足以与IC 1101匹敌。
已知最小的星系
除了质量最大的星系，天文学家还在宇宙中发现了已知质量最小的星系——赛格瑞2。
赛格瑞2Segue2星系是史隆数位巡天项目在2009年发现的，它是位于银河系附近的一个卫星星系或者叫做矮星系。
大麦哲伦星系或星云和小麦哲伦星系也是银河系附近的矮星系。
赛格瑞2距离地球约为11万光年，直径仅为220光年，内部的太阳数量大约有1000颗左右。
该星系的质量仅是太阳质量的55万倍，宇宙中有些大型星系中心的黑洞的质量都比它大很多。
实际上可能还有比这更小的星系，那些星系发出的光太暗淡了，以至于人类还没有办法发现。
总之，宇宙中的星系非常得多。
如果要讨论宇宙中有多少太阳，那数量恐怕比地球上的沙子还多。
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
