宇宙無須假設 科學家首次完全利用廣義相對論開展模擬研究

在這個宇宙早期模型中，物質趨於在自身引力作用下集中。圖片來源：James Mertens/CWRU

宇宙學家首次根據完全的艾伯特·愛因斯坦廣義相對論對宇宙演變進行了精確的模擬計算。

之前的模擬計算都假設宇宙中的物質是均勻分布的以降低複雜度，但這與現實有顯著差異。此次兩組科學家的模擬計算則拋開了這一假設，從而能更好地解釋天文學家日益精確的觀測結果。

廣義相對論將重力解釋為時空扭曲。1915年，愛因斯坦提出該理論後不久，就有人意識到它在宇宙範疇中有重大影響。上世紀20年代，比利時宇宙學家Georges Lemaitre等人就指出，滿足愛因斯坦理論的宇宙應當發生了膨脹或收縮。同時，以美國天文學家Edwin Hubble為代表的一大陣營認為，宇宙實際上在不斷膨脹。

但不設定假設進行簡化計算，在宇宙尺度上解出愛因斯坦方程式是不可能的。為了找出答案，Lemaitre等早期相對論者假設物質在宇宙中均勻分布，而非集中在恆星和星系中。

然而，一直以來，由於超級計算機也無法進行完全相對論計算，技術進步未能改變這一現狀。大多數宇宙學家只能繼續從大爆炸入手模擬宇宙。為了解釋星系和星系簇等大型結構是如何形成於瀰漫的原始氣體的，研究人員開始關注曾忽視的「過密」區域。這些區域在重力作用下發展成塊狀結構。但這些模型僅在其研究的相對較小的區域內假定物質的不均勻分布，同時在更大範圍內認為物質仍是均勻分布狀態。

一些宇宙學家表示，宇宙學需要其他策略，而非僅僅調整假設。「宇宙同質化是哲學發明。」義大利帕多瓦大學廣義相對論學家Sabino Matarrese說。Matarrese等人認為，過去的假設可能導致天文學家錯誤地解釋了他們的觀測數據，因此得出的神秘暗能量加速宇宙膨脹的結論可能也是不靠譜的。

這一觀點引發了激烈討論。但Matarrese補充道，宇宙同質化假設「部分屬於詢證推論，我們應試著質疑而非深陷劇本之中」。

另一方面，義大利卡塔尼亞大學數字相對論學家Eloisa Bentivegna表示，「原則上，在不均勻的宇宙中，遙遠的星系可能呈現出加速衰弱」，這模仿了暗能量的作用。

目前，她聯合英國普茲茅斯大學的Marco Bruni，以及美國凱斯西保留地大學Glenn Starkman團隊分別完全根據廣義相對論，在沒有任何限制條件的情況下，進行了首次宇宙全模擬計算。

這兩個研究組模擬計算所採用的演算法來自對雙黑洞及其產生的引力波的計算。研究人員希望能夠通過構建模型回答這樣一個問題：為何宇宙中的小尺度結構會在大尺度上產生影響。例如，黑洞能夠產生時空中的漣漪，但其效應在原先根據平均化構建的宇宙模型中總是與實際不相符合，因為宇宙的本質是參差的，物質的分布並不均勻。

近日，相關論文分別刊登於《物理評論快報》和《物理評論D》。Matarrese認為本次研究儘管遠沒有達到真實宇宙的複雜度，但對相對論的「完全擁抱」是「革命性的」。

據悉，這兩個研究團隊在模擬時所關注的重點問題不同，歐洲科學家關注「過密度」結構是如何形成的，美國科學家關注宇宙如何膨脹，以及宇宙膨脹產生的時空扭曲如何影響光的傳播。但他們均表示在未來計劃提高模型的精確度。Bruni表示：「在接下來的10年內，我們認為下一代的星系巡天項目將會帶來海量數據，同時藉助更加先進的大型望遠鏡和衛星，我們將能夠獲取高精度的宇宙參數測量值。」

兩組科學家構建了數字模擬技術，全面運用廣義相對論得到宇宙更精確模擬並加深了對宇宙本質的理解。Starkman表示，沒有人曾架構起數字相對論和宇宙學之間的橋樑。「這些論文代表了人們向前邁出的重要一步，全面運用廣義相對論進行對宇宙模型的構建，而拋棄了沒有根據的對稱性和平滑性等限制。」他說，「宇宙從不作假設，我們也應該一樣。」

不過，Matarrese表示，要充分挖掘這些技術的潛力可能還要20年。研究人員還需要提高模型精確性，以解釋平方公里陣列等大科學觀測台未來將得到的數據。

另一個重要問題是，密集區域物質合并是否影響宇宙膨脹。伊利諾伊州費米國立加速器實驗室宇宙學家Scott Dodelson表示，下一代實驗將能檢測這種反作用，這將會是「一個偉大勝利」。但他也指出，目前尚不清楚這兩個團隊的技術是否為理解這些作用力所必需的，或者常規方法更合適。

無論如何，Starkman認為，最終，整體而言，宇宙學的標準模型將繼續保留——包括暗能量的存在。「但我們必須檢查。」（張章）

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