如何烘焙宇宙蛋糕
多少年來，科學家們一直在努力描繪宇宙的模樣，起初靠的是想像、推理，隨著超級計算機的發展，科學家通過計算機模型已經了解了宇宙大致的模樣。
那麼，宇宙真如科學家們所描述的那樣嗎？
科學家烘焙出了「假」宇宙
事實可能並非如此。
模擬宇宙，我們可以把它比作烘焙一個巨大而美味的蛋糕。如果我們想做一個蛋糕，我們首先想到的原料會是雞蛋、麵粉，缺了這兩樣東西，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，那麼做出來的蛋糕味道如何，可想而知。同樣，到目前為止，大多數模擬星系和宇宙演化的宇宙模型就像只用雞蛋和麵粉來製作的蛋糕，所涉及的材料僅包括最主要的兩種——暗物質和引力。
之所以只涉及這兩種成分，是因為科學家們有點「懶」。涉及暗物質的計算是「簡單的」，因為除了引力之外，它對其他一切都不敏感。並且暗物質比普通物質多了5倍左右，這意味著，暗物質對宇宙的影響應該比普通物質要大得多。更重要的是，現在的超級計算機運算能力有限，因此科學家們只能「偷懶」，用只含有暗物質和引力的模型來模擬宇宙，並且還要假設所有一切都是「正常」發展的。所以，可以說，根據這類模型，科學家烘焙出的只是「簡易」版的宇宙蛋糕。
不過，科學家的「懶」似乎並沒有誤事，因為這些宇宙模型的模擬結果看起來與現實吻合。例如美國宇航局的「宏偉」（Bolshoi，這個名字來自俄語，意為宏大的、偉大的）模擬，這是模擬宇宙大規模結構演化最準確的宇宙模擬之一。雖然這個模型只涉及兩種成分，但卻成功地模擬出了複雜且規模巨大的宇宙網（宇宙網是由星系團組成的大規模網狀結構）。並且，模型中星系之間的丰度、大小和距離與現實觀測的結果是相匹配的。
如此看來，這種只涉及暗物質和引力的宇宙模擬應該沒什麼問題。然而，當我們從較小的星系尺度來驗證這些模擬時，它們就開始出錯了。例如這些宇宙模擬預測大星系周圍有大量矮星系，但是實際觀測結果卻很少，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節。而如果不能詳細了解宇宙的模樣，我們將無法準確了解宇宙的演變過程，也不能準確解答宇宙中各種現象發生的原因。
為什麼這些宇宙模型不能詳細描繪宇宙模樣呢？
修改「配方表」有多難？
原因其實很簡單，沒有加入普通物質。就像只用雞蛋和麵粉製作出來的蛋糕，只有其形，而無其味一樣。要想模擬出真實的宇宙，那麼普通物質必不可少，因為普通物質會影響星系的性質，甚至影響星系周圍的暗物質分布。
但是把普通物質加入宇宙模型並不像製作蛋糕那麼簡單。科學家對此也很無奈，因為普通物質會與許多其他力發生作用，比如電、磁等，因此如果在模型中加入普通物質，就需要解決很多問題才能完成模擬。整個模擬過程會變得很複雜，運算所耗費的時間也將會大大增加，這就對用於模擬實驗的計算機提出了很高的要求。而長期以來，模擬實驗所用的計算機就像比較「簡陋」的「烘焙室」，讓烘焙「宇宙蛋糕」的蛋糕師們沒法大展身手，製作出讓人滿意的「宇宙蛋糕」。
而現在，隨著超級計算機的運算能力和演算法變得越來越強大，科學家們也開始嘗試著將普通物質加入宇宙模型中，試著為我們展示宇宙真實的模樣。
關注細節的局部模擬
為了彌補大尺度宇宙模擬的不足，科學家們開發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星系及其周圍的情況，覆蓋的空間區域較小，在超級計算機的幫助下，科學家能以更高的解析度來觀測更多的物理過程。並且其中涉及的一些數據是科學家現實觀測的數據，這也減輕了計算機的運算壓力。
2013年，由德國萊布尼茨天體物理研究院領導的「限制性局部宇宙模擬」（英文簡稱CLUES）項目啟動。CLUES聚焦的是本地星系群——一個跨度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、三角星系以及數十個較小的星系。它利用我們銀河系周圍數千萬光年之內星系的位置和速度信息，模擬銀河系及周圍的環境。而2015年，科學家還啟動了一項被稱為「現實環境反饋」（英文簡稱FIRE）的計算機模擬實驗。該模擬採用一種「自下而上」的方式來構建，即先模擬恆星在小規模上的演變，再綜合大型星系中數十億顆恆星的演變，來預測由這些恆星組成的大星系的變化。
結果顯示，局部模擬確實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係數量與觀測數據基本吻合，而以前的計算機模擬實驗中矮星系的數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，科學家還找到了解決這個問題的可能答案：大型星系或者宇宙網破壞了能形成矮星系的物質，因此導致矮行星形成得比預期的要少。
複雜的大型模擬
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單獨的模擬能夠重現宇宙在大尺度和小尺度上的結構特徵。於是科學家們提出了一些包含普通物質的大尺度模擬。藉助著超級計算機，這些模擬不僅解決了大型宇宙模型「粗糙」的問題，也彌補了局部宇宙模擬規模小的缺點。
例如2014年，美國和英國等國的科學家運行的「揭示」(Illustris，這個名稱源自拉丁語)計算機模擬，它被譽為「迄今最真實的宇宙演化模擬」。這個模擬的空間尺度直徑達到了3.5億光年，時間跨越130億年，並且以3D空間的模式模擬宇宙。從模擬的結果來看，這個模擬比以往的模擬實驗收穫更多。從大尺度來說，它模擬出了宇宙大爆炸之後宇宙的狀態、宇宙網結構等的情況。而從小尺度來說，它模擬了第一批恆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成。基本上描繪出了所模擬的3.5億光年範圍內，130億年間從恆星到大尺度結構的變化。
而幫助完成這樣複雜的大尺度模擬的功臣正是超級計算機，用於「揭示」模擬實驗的是法國的居里超級計算機和德國的SuperMuc超級計算機。為了完成整個模擬，用到了8192個CPU，總共運行了1900萬個小時。如果用普通計算機進行這樣的模擬，將需要花費大約2千年的時間才能完成運算。
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。主要是現在的宇宙計算機模型還不能模擬更小的尺度，比如恆星或者像太陽系這樣的尺度的情況，因此即使是像「揭示」這樣的計算機模擬，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、塵埃物質等，這就需要科學家們研製更先進的超級計算機。
當然，研發更先進的超級計算機並非易事，不過這值得科學家們去努力解決，畢竟超級計算機是現如今我們研究宇宙演變的唯一「實驗室」。我們期待著未來在更先進的超級計算機的幫助下，科學家能告訴我們生命條件最初如何構建、星系如何形成，以及宇宙真面目是怎樣的。
本文源自大科技 2017年第9期雜誌文章 歡迎您關注大科技公眾號：hdkj1997
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