如何烘焙宇宙蛋糕

簡麗莎

多少年來，科學(xué)家們一直在努力描繪宇宙的模樣，起初靠的是想象、推理，隨著超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，科學(xué)家通過計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)了解了宇宙大致的模樣。

那么，宇宙真如科學(xué)家們所描述的那樣嗎？

科學(xué)家烘焙出了“假”宇宙

事實(shí)可能并非如此。

模擬宇宙，我們可以把它比作烘焙一個(gè)巨大而美味的蛋糕。如果我們想做一個(gè)蛋糕，我們首先想到的原料會是雞蛋、面粉，缺了這兩樣?xùn)|西，蛋糕肯定是沒法做成的。但是如果少了砂糖、香草莢、色拉油等材料，那么做出來的蛋糕味道如何，可想而知。同樣，到目前為止，大多數(shù)模擬星系和宇宙演化的宇宙模型就像只用雞蛋和面粉來制作的蛋糕，所涉及的材料僅包括最主要的兩種——暗物質(zhì)和引力。

之所以只涉及這兩種成分，是因?yàn)榭茖W(xué)家們有點(diǎn)“懶”。涉及暗物質(zhì)的計(jì)算是“簡單的”，因?yàn)槌艘χ?，它對其他一切都不敏感。并且暗物質(zhì)比普通物質(zhì)多了5倍左右，這意味著，暗物質(zhì)對宇宙的影響應(yīng)該比普通物質(zhì)要大得多。更重要的是，現(xiàn)在的超級計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力有限，因此科學(xué)家們只能“偷懶”，用只含有暗物質(zhì)和引力的模型來模擬宇宙，并且還要假設(shè)所有一切都是“正常”發(fā)展的。所以，可以說，根據(jù)這類模型，科學(xué)家烘焙出的只是“簡易”版的宇宙蛋糕。

不過，科學(xué)家的“懶”似乎并沒有誤事，因?yàn)檫@些宇宙模型的模擬結(jié)果看起來與現(xiàn)實(shí)吻合。例如美國宇航局的“宏偉”（Bolshoi，這個(gè)名字來自俄語，意為宏大的、偉大的）模擬，這是模擬宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)演化最準(zhǔn)確的宇宙模擬之一。雖然這個(gè)模型只涉及兩種成分，但卻成功地模擬出了復(fù)雜且規(guī)模巨大的宇宙網(wǎng)（宇宙網(wǎng)是由星系團(tuán)組成的大規(guī)模網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）。并且，模型中星系之間的豐度、大小和距離與現(xiàn)實(shí)觀測的結(jié)果是相匹配的。

如此看來，這種只涉及暗物質(zhì)和引力的宇宙模擬應(yīng)該沒什么問題。然而，當(dāng)我們從較小的星系尺度來驗(yàn)證這些模擬時(shí)，它們就開始出錯(cuò)了。例如這些宇宙模擬預(yù)測大星系周圍有大量矮星系，但是實(shí)際觀測結(jié)果卻很少，這被稱為“矮星系失蹤”問題。這意味著，只包含暗物質(zhì)和引力的宇宙模擬只能讓我們看到宇宙的大致面貌，不能讓我們看到宇宙的細(xì)節(jié)。而如果不能詳細(xì)了解宇宙的模樣，我們將無法準(zhǔn)確了解宇宙的演變過程，也不能準(zhǔn)確解答宇宙中各種現(xiàn)象發(fā)生的原因。

為什么這些宇宙模型不能詳細(xì)描繪宇宙模樣呢？

修改“配方表”有多難？

原因其實(shí)很簡單，沒有加入普通物質(zhì)。就像只用雞蛋和面粉制作出來的蛋糕，只有其形，而無其味一樣。要想模擬出真實(shí)的宇宙，那么普通物質(zhì)必不可少，因?yàn)槠胀ㄎ镔|(zhì)會影響星系的性質(zhì)，甚至影響星系周圍的暗物質(zhì)分布。

但是把普通物質(zhì)加入宇宙模型并不像制作蛋糕那么簡單?？茖W(xué)家對此也很無奈，因?yàn)槠胀ㄎ镔|(zhì)會與許多其他力發(fā)生作用，比如電、磁等，因此如果在模型中加入普通物質(zhì)，就需要解決很多問題才能完成模擬。整個(gè)模擬過程會變得很復(fù)雜，運(yùn)算所耗費(fèi)的時(shí)間也將會大大增加，這就對用于模擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)提出了很高的要求。而長期以來，模擬實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)算機(jī)就像比較“簡陋”的“烘焙室”，讓烘焙“宇宙蛋糕”的蛋糕師們沒法大展身手，制作出讓人滿意的“宇宙蛋糕”。

而現(xiàn)在，隨著超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和算法變得越來越強(qiáng)大，科學(xué)家們也開始嘗試著將普通物質(zhì)加入宇宙模型中，試著為我們展示宇宙真實(shí)的模樣。

關(guān)注細(xì)節(jié)的局部模擬

為了彌補(bǔ)大尺度宇宙模擬的不足，科學(xué)家們開發(fā)了宇宙局部模擬的模型。與大尺度宇宙模擬相比，局部模擬主要模擬一個(gè)星系及其周圍的情況，覆蓋的空間區(qū)域較小，在超級計(jì)算機(jī)的幫助下，科學(xué)家能以更高的分辨率來觀測更多的物理過程。并且其中涉及的一些數(shù)據(jù)是科學(xué)家現(xiàn)實(shí)觀測的數(shù)據(jù)，這也減輕了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算壓力。

2013年，由德國萊布尼茨天體物理研究院領(lǐng)導(dǎo)的“限制性局部宇宙模擬”（英文簡稱CLUES）項(xiàng)目啟動。CLUES聚焦的是本地星系群——一個(gè)跨度1千萬光年的星系群，其中包括了我們的銀河系、鄰近的仙女座星系、三角星系以及數(shù)十個(gè)較小的星系。它利用我們銀河系周圍數(shù)千萬光年之內(nèi)星系的位置和速度信息，模擬銀河系及周圍的環(huán)境。而2015年，科學(xué)家還啟動了一項(xiàng)被稱為“現(xiàn)實(shí)環(huán)境反饋”（英文簡稱FIRE）的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。該模擬采用一種“自下而上”的方式來構(gòu)建，即先模擬恒星在小規(guī)模上的演變，再綜合大型星系中數(shù)十億顆恒星的演變，來預(yù)測由這些恒星組成的大星系的變化。

結(jié)果顯示，局部模擬確實(shí)能讓我們了解宇宙的局部面貌，例如這些局部宇宙模擬顯示大型星系周圍的矮星系數(shù)量與觀測數(shù)據(jù)基本吻合，而以前的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中矮星系的數(shù)量要比觀測到的多得多，這就是前文提到的“矮星系失蹤”問題。通過模擬，科學(xué)家還找到了解決這個(gè)問題的可能答案：大型星系或者宇宙網(wǎng)破壞了能形成矮星系的物質(zhì)，因此導(dǎo)致矮行星形成得比預(yù)期的要少。

復(fù)雜的大型模擬

然而，不管是大型宇宙模擬，還是局部宇宙模擬，它們中沒有任何一個(gè)單獨(dú)的模擬能夠重現(xiàn)宇宙在大尺度和小尺度上的結(jié)構(gòu)特征。于是科學(xué)家們提出了一些包含普通物質(zhì)的大尺度模擬。借助著超級計(jì)算機(jī)，這些模擬不僅解決了大型宇宙模型“粗糙”的問題，也彌補(bǔ)了局部宇宙模擬規(guī)模小的缺點(diǎn)。

例如2014年，美國和英國等國的科學(xué)家運(yùn)行的“揭示”（Illustris，這個(gè)名稱源自拉丁語）計(jì)算機(jī)模擬，它被譽(yù)為“迄今最真實(shí)的宇宙演化模擬”。這個(gè)模擬的空間尺度直徑達(dá)到了3.5億光年，時(shí)間跨越130億年，并且以3D空間的模式模擬宇宙。從模擬的結(jié)果來看，這個(gè)模擬比以往的模擬實(shí)驗(yàn)收獲更多。從大尺度來說，它模擬出了宇宙大爆炸之后宇宙的狀態(tài)、宇宙網(wǎng)結(jié)構(gòu)等的情況。而從小尺度來說，它模擬了第一批恒星和星系形成的過程，還告訴我們宇宙第一代星系可能大多由純凈氣體構(gòu)成?；旧厦枥L出了所模擬的3.5億光年范圍內(nèi)，130億年間從恒星到大尺度結(jié)構(gòu)的變化。

而幫助完成這樣復(fù)雜的大尺度模擬的功臣正是超級計(jì)算機(jī)，用于“揭示”模擬實(shí)驗(yàn)的是法國的居里超級計(jì)算機(jī)和德國的SuperMuc超級計(jì)算機(jī)。為了完成整個(gè)模擬，用到了8192個(gè)CPU，總共運(yùn)行了1900萬個(gè)小時(shí)。如果用普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行這樣的模擬，將需要花費(fèi)大約2千年的時(shí)間才能完成運(yùn)算。

這是不是說，我們就此可以“看清”宇宙的真面目了？答案是否定的。主要是現(xiàn)在的宇宙計(jì)算機(jī)模型還不能模擬更小的尺度，比如恒星或者像太陽系這樣的尺度的情況，因此即使是像“揭示”這樣的計(jì)算機(jī)模擬，也不得不使用大量的近似值，這意味著它也不能為我們展示完整的宇宙。而要完整地描述宇宙，還需要加入更多新的成分，比如磁場、宇宙射線、塵埃物質(zhì)等，這就需要科學(xué)家們研制更先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)。

當(dāng)然，研發(fā)更先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)并非易事，不過這值得科學(xué)家們?nèi)ヅ鉀Q，畢竟超級計(jì)算機(jī)是現(xiàn)如今我們研究宇宙演變的唯一“實(shí)驗(yàn)室”。我們期待著未來在更先進(jìn)的超級計(jì)算機(jī)的幫助下，科學(xué)家能告訴我們生命條件最初如何構(gòu)建、星系如何形成，以及宇宙真面目是怎樣的。endprint