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2万亿,科学家确定宇宙中星系数量,却发现另一绝望原因

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-08-26

从茹毛饮血的史前时代开始,人类对浩瀚的星空就怀有异样崇敬的心情,常常幻想星河的面有另一个风格迥异的广阔世界,由此也诞生了许多脍炙人口且引人入胜的神话传说。

到了现代,先进的科学技术让人类对星空的畏惧开始渐渐褪去,取而代之的是无穷无尽的好奇。

未来满足这种好奇心,人类开始向宇宙中发射各种各样的探测器,试图揭开宇宙的神奇面纱。

然而随着对宇宙研究的不断深入,人类对宇宙的了解不仅没有增加,反而越来越多难解的问题出现在人们面前,例如宇宙中究竟有多少太阳。

当然了,想要知道宇宙中究竟有多少太阳,首先要知道宇宙究竟有多大。

在探索宇宙的懵懂时期,人们以为银河系就是整个宇宙,星河中那些模糊的光点只是在空间中四处飘荡的云团尘埃。

但是,随着科学技术的不断进步以及观测手段的不断更新,科学家们惊讶地发现原来银河系并不是全部宇宙,银河系外面还有许许多多的河外星系。

在借助宇宙中天然的“尺子”——造父变星之后,科学家们估算出这些河外星系距离地球百万到千万光年不等。

而此时哈勃望远镜的观测结果又展示了一个惊人的事实——宇宙迄今已经有138亿年的高龄,而人类目前能够直接观测的宇宙范围约960亿光年。

那么在这么广阔的空间中,究竟有多少像太阳一样的太阳呢?

事实上,如果有一台极为先进的望远镜,我们的确能够将所有太阳的数量精确的统计出来,因为只要观测时间足够长,那么无论星系发出的光芒黯淡到什么程度,总能够捕捉到它释放出来的光子,只要将目光所及的天空全部“扫”一遍,自然就能够统计出全部的数量。

但是这也仅仅是理论上而已,以人类目前的科技水平来看,根本造不出这种精度的天文望远镜,更何况宇宙中无处不在的宇宙尘埃还会阻碍人们的视线,让观测结果不尽如人意。

所以科学家们无奈之下只好选择一块看上去没有任何遮挡物,甚至没有任何星系的区域,希望通过长时间的高精度观察,能够发现一些“隐藏”极深的星系。

1995年,科学家们将哈勃宇宙望远镜对准了一块好像什么都没有的天区,然后开始了长达10天的观察。

严格说起来,哈勃观察的这片区域仅仅是整个天空的2400万分之一,相当于一个人看100米之外的一个高尔夫球。

然而,这2400万分之一区域的观察结果却让所有人都惊呆了,因为它其中竟然隐藏着近4000多个星系。

这种震撼感驱使着科学家进行新的寻找。

2003年,科学家们又将哈勃望远镜对准了天炉座,这片区域比上次观察的区域更小,只占了全天的2600万分之一。

区域虽小但是带来的震撼却一点也不小,因为经过仔细的辨认分析,科学家们在这张哈勃超深场HUDF照片中发现了近一万个大小、颜色不一的星系。

在尝到了两次观察带来的震撼之后,一个问题开始出现在科学家的脑海:如果一直观察下去,我们究竟能够看到多少星系,又能看到多远的地方呢?

2012年,哈勃望远镜再次启动,这次观察的范围比上次的还要小很多,只占到了全天的3200万分之一,用肉眼来看就跟针眼差不多大。

经过23天的漫长观测,一张震撼人心的照片再次映入眼帘,哈勃极端深场XDF照片中出现了5500多个星系,它们几乎每个都距离地球130多亿年,也就意味着当这些星系释放出第一个光子时,宇宙刚刚才诞生4亿多年。

​虽然这三张照片带给人们极大的震撼,但是它们真正的作用却不只是让人们认识到宇宙的宏伟壮阔,而且还揭示了一个十分奥秘的现象,那就是距离地球很近和很远的星系相对较少,反而是位于中间位置,也就是50亿至90亿光年的星系数量最多。

科学家们猜测,之所以会出现这种让人费解的情况,可能是宇宙在诞生初期拥有远比现在多的星系,只是它们发出的光实在太过于黯淡,以哈勃望远镜的精度根本无法观测到。

因此,可观测宇宙中星系的总数也就不是最开始估算的1760亿个,而是远远超过这个数字。

为了证实这一猜测,英国诺丁汉大学的科学家们在计算机中设计了一个虚拟宇宙,这个宇宙以大爆炸理论为基础,各种物理参数和数学模型都和现实一致。

虚拟宇宙计算结果显示,可观测宇宙中960亿光年直径,至少有2万亿个星系。

即便每个星系中只有1000亿个太阳,那么太阳的总数也都是非常惊人的。

而因为宇宙中的星系一直在不断运动、吞噬以及合并,所以实际上宇宙形成初期星系的密度和数量要远远高于现在。

至此,可观测宇宙中星系以及太阳的数量大体清楚了,但是科学家们却发现了另一个让人绝望的事实:人类最厉害的望远镜也只能看到可观测宇宙中10%不到的星系,而可观测宇宙之外还有多少星系隐藏其中、宇宙有究竟有多大,或许人类永远也不会知道。

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

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