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一个宇宙未解之谜,几乎每个人都思考过,我们可能永远不知道答案

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-10-08

宇宙的浩瀚与神秘,令我们为之深深着迷,同时也激发着我们对于探索和认识宇宙的渴望,然而在探索宇宙中的过程中,我们却遇到了不少难以解释的谜团,其中的一些甚至还超出了我们能够理解的范畴。

比如说“宇宙有多大”这个几乎每个人都曾思考过的问题,其实就是一个宇宙未解之谜,甚至连科学家也承认,我们可能永远不知道答案。

通常来讲,我们想要知道一个物体的大小,只需要观测一下它的全貌就可以了,但对于宇宙而言,我们却无法用这种方法来知道它的大小,为什么呢?两个原因:1、宇宙一直在膨胀;

2、光速是有限的。

为了方便理解,我们不妨来用一个简单的思想实验来进行说明。

假设有一把5厘米的尺子,现在它因为某种原因在1秒钟之后均匀地膨胀了到了原来的两倍,在这把尺子膨胀之后,它的刻度就会随之互相远离,刻度之间的距离越远,其远离的距离就越大,比如说“0”和“1”这两个刻度在膨胀后相互远离的距离为1厘米,而“0”和“5”这两个刻度在膨胀后相互远离的距离为5厘米。

现在假设这把尺子一直在以这种速率膨胀下去,那么尺子上的刻度就会以一定的速度相互远离,而随着膨胀过程的持续,尺子上不同的刻度之间的距离就会越来越远,如此一来,它们相互远离的速度也会随之越来越快。

实际上,科学家早已发现,宇宙就是处于一种持续膨胀的状态,所以宇宙空间中任意不重叠的两个点,都会因此具备彼此远离的速度,这也被称为“退行速度”,从上述的思想实验可知,距离越远,“退行速度”就越快。

根据科学家的观测,宇宙空间中两个点的距离每增加1百万秒差距,其“退行速度”就会增加67.80(±0.77)公里/秒,1百万秒差距大约为326万光年,据此我们就可以计算出,当宇宙空间中两个点的距离达到了大约144亿光年,其“退行速度”就会达到光速。

我们都知道,光速是有限的,假设在距离144亿光年的位置上有一个天体,现在它向地球发出了一束光,那么这束光就会以光速向我们前进,然而在宇宙膨胀的驱动下,这束光的“退行速度”也会达到光速,这就意味着,这束光同时也在以光速远离我们而去,在这种情况下,它就永远无法抵达地球。

显而易见的是,如果这个天体与我们的距离进一步加大,那么其“退行速度”还会超过光速,在这种情况下,它所发出的光线就会离我们越来越远,同样也永远无法抵达地球。

需要知道的是,当我们观测到宇宙中的某个天体时,其实是我们捕获到了来自这个天体的光线,所以一个简单的道理就是,如果一个天体发出的光永远无法抵达地球,那我们就永远观测不到这个天体。

正是因为如此,我们就只能观测到宇宙中的一部分区域,而宇宙的全貌到底是什么样子,我们根本就无法知道。

也就是说,我们是无法通过实际观测来知道“宇宙有多大”这个问题的答案的,怎么办呢?或许,我们还可以去猜。

假如宇宙是无限大,那么其中的物质和能量也会是无限多,这样的无边无际、没有尽头的宇宙是我们无法理解的,反过来讲,如果宇宙的大小是有限的,宇宙就会存在一个边界,那么这个边界的外面是什么呢,是什么都没有的虚空吗?很明显,我们也无法理解这样一种没有任何物质和能量,甚至连空间都不存在的“虚空”。

假如宇宙边界的外面存在着更加广阔的区域,那这片区域有没有边界呢?如果说没有边界,那我们依然无法理解,而如果有的话,就会迎来一个“无限套娃”式的问题,即:宇宙边界的外面区域的边界外面是什么,宇宙边界的外面区域的边界外面区域的边界外面是什么……

更重要的是,宇宙通常被定义为是“所有的空间和时间及其内涵”,据此我们可以认为,如果宇宙边界的外面真的存在更加广阔的区域,那这些区域就还是属于宇宙,然而如果这样说,这些区域也就不能称之为“宇宙边界的外面”……

可以看到,我们甚至无法通过思维的方式去理解宇宙的本质,正是因为如此,“宇宙有多大”这个几乎每个人都曾思考过的问题,就成了一个宇宙未解之谜,而我们可能永远都不会知道答案。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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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