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科学家至今仍无法解答的宇宙难题十大未解之谜

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-08

  下面盘点关于外太空的一些至今未解之谜。

  老鹰星云中的幻影

  最奇特的太空照片之一是鹰状星云。

照片本身显示的是一颗恒星从气体云中诞生的情景。

然而,当这张照片在有线电视新闻网发布后,许多网民说在老鹰星云图片中看到了一张人脸,当专家把照片的颜色调整了一下,发现星云中真的出现了一张很大的人脸。

科学家一直无法解释这种现象。

  星系从何而来?

  直到最近,科学家才能够解释恒星和行星是怎么形成的。

现在,科学家们将注意力转向一个更大的谜,星系从何而来?

  目前所知道的是,星系不是错落地分布在太空中,而是集群存在的,享有“超级集群”的美誉。

关于星系的形成,科学家们有两个主要的理论。

  首先,宇宙大爆炸中释放出的气体聚集在一起,形成了星系;二是宇宙大爆炸中释放出的气体变成了恒星和行星,它们在引力的作用下形成了星系。

但这两种理论都还没有被普遍接受。

  宇宙空间有其它适合生命生存的类地行星吗?

  我们太阳系中的恒星—太阳,只是宇宙中的万亿分之一。

太阳有八大行星,做一个简单的数学题,宇宙中的行星有可能比恒星多八倍,数量非常惊人。

如此多的行星中是否有一些是存在生命的?

  自2000年以来,天文学家发现了数百颗太阳系外行星,它们绕遥远恒星的轨道运行。

其中有些是类地行星,如葛利斯581d,科学家观测到该行星表面有液态水,难道可能存在生命?

  也有人认为,有无穷多个宇宙,每一个都有它自己的运行规律;还有人认为没有任何证据证明有其它宇宙的存在。

这个谜也许只有等我们能够去到另一个宇宙才能揭开,但随着宇宙的膨胀,人类将永远不可能找到答案。

  暗物质

  爱因斯坦的公式“E=MC的平方”也许是最知名的方程式。

但是,应用于空间问题时,就会出现一些反常现象。

例如,当我们用它来确定宇宙应该有多少物质时,就会得出宇宙中只有4%的物质。

其它的物质到哪里去了呢?

  科学家认为它们以暗物质的形式存在。

暗物质在哪里?它无处不在,只要看不见东西的地方都存在暗物质。

这个物质很奇怪,不仅本身不发光,而且光线也射不进去,所以人是看不到的。

  最令人惊讶的是,它虽然摸不到,却有重量和引力。

科学家们还没有确凿证据证明暗物质确实存在,被称为“世纪之谜”。

  火星上真的有生命存在吗?

  当谈到其它行星上是否有生命的问题时,有人说,我们只需在太阳系内找。

火星一直被认为有生命存在,许多照片也令人质疑火星文明,如火星上的金字塔,以及火星岩石上坐着猿猴的照片。

  科学家相信在火星磁场消失之前,曾经覆盖着液态海洋。

难道真的有生命存在吗?未来的火星之行希望能回答这个问题。

  美国宇航局的宇航员真的见到外星人了吗?

  美国宇航局的宇航员被认为是世界上最训练有素的人,他们是科学家中的佼佼者,能够解释几乎所有天文问题,人们对他们说的话也常常是深信不疑。

  与黑洞相反,白洞向外部区域提供物质和能量,但不能吸收外部区域的任何物质和辐射。

白洞是时间呈现反转的黑洞,进入黑洞的物质,最后应会从白洞出来,出现在另外一个宇宙。

它有一个封闭的边界。

聚集在白洞内部的物质,只可以向外运动,而不能向内部运动。

  按理说,白洞应该很容易找到,但目前一个都没有找到。

如果发现了白洞,很多问题就可以迎刃而解了,比如“构成星系的物质从何而来”等。

  月球上的废墟和水的存在能证明月球上有生命吗?

  前面我们讨论了其它行星上是否存在生命的问题,离我们最近的月球是否就存在生命呢?观测结果表明,月球上确实有古代遗址和建筑物。

曾有一名男子声称,他通过对大量月球照片的研究发现,月球上有建筑物的迹象。

  最近,科学家宣布,他们利用火箭和卫星相继撞月球,在月亮南极附近发现了“数量可观的水”,水在月球表面以冰或液体形式存在。

这一重大发现令许多人有了移民月球的想法。

  暗能量

  暗能量是宇宙中最神秘的物质,我们对它了解得最少,而又被认为确实存在,它能够解释万有引力定律的异常现象。

  万有引力定律使许多大型物体,如星系团之间相互吸引,于是提出一个问题,它们的引力应该可以吸引其他物体啊!然而,事实并非如此,大多数星系团离得很远,这是因为宇宙正在以令人难以置信的速度扩大。

  为了回答这个问题的原因,科学家们开发了暗能量理论,它具有与引力相反的效果,也就是物体之间的推力。

数学计算表明,如果它确实存在,它构成了我们宇宙的74%,暗能量抵销了重力,导致宇宙不断加速膨胀。

然而,我们还没有确凿的证据,因此它仍然是一个谜。

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