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如何烘焙宇宙蛋糕

多少年来,科学家们一直在努力描绘宇宙的模样,起初靠的是想象、推理,随着超级计算机的发展,科学家通过计算机模型已经了解了宇宙大致的模样。
那么,宇宙真如科学家们所描述的那样吗?

科学家烘焙出了“假”宇宙

事实可能并非如此。
模拟宇宙,我们可以把它比作烘焙一个巨大而美味的蛋糕。如果我们想做一个蛋糕,我们首先想到的原料会是鸡蛋、面粉,缺了这两样东西,蛋糕肯定是没法做成的。但是如果少了砂糖、香草荚、色拉油等材料,那么做出来的蛋糕味道如何,可想而知。同样,到目前为止,大多数模拟星系和宇宙演化的宇宙模型就像只用鸡蛋和面粉来制作的蛋糕,所涉及的材料仅包括最主要的两种——暗物质和引力。
之所以只涉及这两种成分,是因为科学家们有点“懒”。涉及暗物质的计算是“简单的”,因为除了引力之外,它对其他一切都不敏感。并且暗物质比普通物质多了5倍左右,这意味着,暗物质对宇宙的影响应该比普通物质要大得多。更重要的是,现在的超级计算机运算能力有限,因此科学家们只能“偷懒”,用只含有暗物质和引力的模型来模拟宇宙,并且还要假设所有一切都是“正常”发展的。所以,可以说,根据这类模型,科学家烘焙出的只是“简易”版的宇宙蛋糕。
不过,科学家的“懒”似乎并没有误事,因为这些宇宙模型的模拟结果看起来与现实吻合。例如美国宇航局的“宏伟”(Bolshoi,这个名字来自俄语,意为宏大的、伟大的)模拟,这是模拟宇宙大规模结构演化最准确的宇宙模拟之一。虽然这个模型只涉及两种成分,但却成功地模拟出了复杂且规模巨大的宇宙网(宇宙网是由星系团组成的大规模网状结构)。并且,模型中星系之间的丰度、大小和距离与现实观测的结果是相匹配的。
如此看来,这种只涉及暗物质和引力的宇宙模拟应该没什么问题。然而,当我们从较小的星系尺度来验证这些模拟时,它们就开始出错了。例如这些宇宙模拟预测大星系周围有大量矮星系,但是实际观测结果却很少,这被称为“矮星系失踪”问题。这意味着,只包含暗物质和引力的宇宙模拟只能让我们看到宇宙的大致面貌,不能让我们看到宇宙的细节。而如果不能详细了解宇宙的模样,我们将无法准确了解宇宙的演变过程,也不能准确解答宇宙中各种现象发生的原因。
为什么这些宇宙模型不能详细描绘宇宙模样呢?

修改“配方表”有多难?

原因其实很简单,没有加入普通物质。就像只用鸡蛋和面粉制作出来的蛋糕,只有其形,而无其味一样。要想模拟出真实的宇宙,那么普通物质必不可少,因为普通物质会影响星系的性质,甚至影响星系周围的暗物质分布。
但是把普通物质加入宇宙模型并不像制作蛋糕那么简单。科学家对此也很无奈,因为普通物质会与许多其他力发生作用,比如电、磁等,因此如果在模型中加入普通物质,就需要解决很多问题才能完成模拟。整个模拟过程会变得很复杂,运算所耗费的时间也将会大大增加,这就对用于模拟实验的计算机提出了很高的要求。而长期以来,模拟实验所用的计算机就像比较“简陋”的“烘焙室”,让烘焙“宇宙蛋糕”的蛋糕师们没法大展身手,制作出让人满意的“宇宙蛋糕”。
而现在,随着超级计算机的运算能力和算法变得越来越强大,科学家们也开始尝试着将普通物质加入宇宙模型中,试着为我们展示宇宙真实的模样。

关注细节的局部模拟

为了弥补大尺度宇宙模拟的不足,科学家们开发了宇宙局部模拟的模型。与大尺度宇宙模拟相比,局部模拟主要模拟一个星系及其周围的情况,覆盖的空间区域较小,在超级计算机的帮助下,科学家能以更高的分辨率来观测更多的物理过程。并且其中涉及的一些数据是科学家现实观测的数据,这也减轻了计算机的运算压力。
2013年,由德国莱布尼茨天体物理研究院领导的“限制性局部宇宙模拟”(英文简称CLUES)项目启动。CLUES聚焦的是本地星系群——一个跨度1千万光年的星系群,其中包括了我们的银河系、邻近的仙女座星系、三角星系以及数十个较小的星系。它利用我们银河系周围数千万光年之内星系的位置和速度信息,模拟银河系及周围的环境。而2015年,科学家还启动了一项被称为“现实环境反馈”(英文简称FIRE)的计算机模拟实验。该模拟采用一种“自下而上”的方式来构建,即先模拟恒星在小规模上的演变,再综合大型星系中数十亿颗恒星的演变,来预测由这些恒星组成的大星系的变化。
 结果显示,局部模拟确实能让我们了解宇宙的局部面貌,例如这些局部宇宙模拟显示大型星系周围的矮星系数量与观测数据基本吻合,而以前的计算机模拟实验中矮星系的数量要比观测到的多得多,这就是前文提到的“矮星系失踪”问题。通过模拟,科学家还找到了解决这个问题的可能答案:大型星系或者宇宙网破坏了能形成矮星系的物质,因此导致矮行星形成得比预期的要少。

复杂的大型模拟

然而,不管是大型宇宙模拟,还是局部宇宙模拟,它们中没有任何一个单独的模拟能够重现宇宙在大尺度和小尺度上的结构特征。于是科学家们提出了一些包含普通物质的大尺度模拟。借助着超级计算机,这些模拟不仅解决了大型宇宙模型“粗糙”的问题,也弥补了局部宇宙模拟规模小的缺点。
例如2014年,美国和英国等国的科学家运行的“揭示”(Illustris,这个名称源自拉丁语)计算机模拟,它被誉为“迄今最真实的宇宙演化模拟”。这个模拟的空间尺度直径达到了3.5亿光年,时间跨越130亿年,并且以3D空间的模式模拟宇宙。从模拟的结果来看,这个模拟比以往的模拟实验收获更多。从大尺度来说,它模拟出了宇宙大爆炸之后宇宙的状态、宇宙网结构等的情况。而从小尺度来说,它模拟了第一批恒星和星系形成的过程,还告诉我们宇宙第一代星系可能大多由纯净气体构成。基本上描绘出了所模拟的3.5亿光年范围内,130亿年间从恒星到大尺度结构的变化。
而帮助完成这样复杂的大尺度模拟的功臣正是超级计算机,用于“揭示”模拟实验的是法国的居里超级计算机和德国的SuperMuc超级计算机。为了完成整个模拟,用到了8192个CPU,总共运行了1900万个小时。如果用普通计算机进行这样的模拟,将需要花费大约2千年的时间才能完成运算。
这是不是说,我们就此可以“看清”宇宙的真面目了?答案是否定的。主要是现在的宇宙计算机模型还不能模拟更小的尺度,比如恒星或者像太阳系这样的尺度的情况,因此即使是像“揭示”这样的计算机模拟,也不得不使用大量的近似值,这意味着它也不能为我们展示完整的宇宙。而要完整地描述宇宙,还需要加入更多新的成分,比如磁场、宇宙射线、尘埃物质等,这就需要科学家们研制更先进的超级计算机。
当然,研发更先进的超级计算机并非易事,不过这值得科学家们去努力解决,毕竟超级计算机是现如今我们研究宇宙演变的唯一“实验室”。我们期待着未来在更先进的超级计算机的帮助下,科学家能告诉我们生命条件最初如何构建、星系如何形成,以及宇宙真面目是怎样的。

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