科学家用超级计算机模拟4000个宇宙大爆炸，试图揭开宇宙的奥秘

宇宙是如何诞生的？这是人类历史上最古老也最深刻的问题之一。科学家们已经提出了一个广为接受的理论，即大爆炸理论，来解释宇宙的起源。根据这个理论，宇宙是从一个极小的、高温的、高密度的状态开始的，然后在一瞬间发生了剧烈的膨胀，形成了我们今天所看到的宇宙。但是，这个理论并不能回答所有的问题，比如，为什么宇宙会膨胀？膨胀的速度和规律是什么？膨胀之前的宇宙是什么样子的？为了解答这些问题，宇宙学家们需要探索大爆炸后的第一刹那，也就是宇宙的诞生之时。

然而，这并不是一件容易的事情。因为在大爆炸后的那一刹那，宇宙中的一切都发生了翻天覆地的变化，从物质到能量，从空间到时间，从引力到暗能量，都经历了前所未有的极端状态。这些状态是如此的极端，以至于我们现有的物理学无法完全描述和解释它们。我们需要一种新的方法，来重建和模拟这个关键的时刻，以揭开宇宙的奥秘。

用超级计算机模拟宇宙的膨胀

为了实现这个目标，一些日本的宇宙学家进行了一项前沿的研究，他们利用了日本国立天文台（NAOJ）的ATERUI II超级计算机，来模拟宇宙的膨胀过程。ATERUI II是世界上最快的天文学专用超级计算机，它可以处理每秒约1.3万亿次的运算，相当于每个地球人每秒做100次运算。这样的计算能力，使得宇宙学家们可以在计算机上创建和观察宇宙的不同版本，来模拟宇宙的不同可能性。

宇宙学家们在计算机上模拟了4000个宇宙版本，每个版本都有略微不同的初始条件，来反映宇宙的随机性。他们让这些虚拟宇宙经历了自己的虚拟膨胀，从大爆炸后的极微小的一微秒开始，一直到今天的宇宙。在这个过程中，他们记录了每个宇宙版本的各种参数，比如温度、密度、能量、引力、暗能量等，以及它们随着时间的变化。他们还观察了每个宇宙版本中的星系的分布和形成，以及它们与我们真实的宇宙的相似度。这些结果发表在1月4日的《物理评论D》杂志上，是很有希望的。

用重建方法还原宇宙的初始状态

通过这些模拟，宇宙学家们的目标是描绘出大爆炸后的直接后果，当时可观测的宇宙在极微小的一微秒内突然膨胀了一万亿万倍。这个时期被称为暴涨时期，是宇宙历史上最重要也最神秘的时期之一。通过将模拟的方法应用到今天宇宙的真实观测上，研究人员希望能够准确地了解这个暴涨时期的样子，以及它对宇宙的影响。

“我们正在尝试做一件类似于从最新的照片中猜测我们宇宙的婴儿照的事情，”研究负责人、日本国立天文台（NAOJ）的宇宙学家白崎正人说。他指的是，我们现在看到的星系和星云，都是经过了138亿年的演化和变化，而他们想要还原的，是这些天体最初的面貌和分布。

为了做到这一点，他们需要一种方法，来消除宇宙膨胀过程中产生的干扰因素，比如引力。今天的宇宙显示出密度的变化，有些区域富含星系，有些区域相对贫瘠。对于这种可见物质的不均匀分布，一个有前途的假设是，在大爆炸的时候，微小的原始宇宙中已经存在了量子涨落，或者说是能量的随机、暂时的变化，白崎说。

当宇宙膨胀时，这些涨落也会随之膨胀，密度较高的点会延伸成比周围更密集的区域。引力会与这些拉长的丝状物相互作用，导致星系沿着它们聚集。这就形成了我们所说的宇宙网，它是宇宙中最大的结构，由无数的星系和暗物质组成。

但是引力相互作用是复杂的，所以试图倒退这个膨胀时期，以了解宇宙在此之前的样子是非常有挑战性的。宇宙学家实际上需要从方程中去除引力涨落，以还原宇宙的初始状态。研究人员开发了一种重建方法来做到这一点。这种方法可以根据今天的宇宙网的形状，推断出宇宙暴涨时期的密度涨落，从而重建出宇宙的婴儿照。

为了找出重建是否准确，他们需要一种方法来测试它。所以他们使用了ATERUI II超级计算机，创建了4000个宇宙版本，每个版本都有略微不同的初始密度涨落。研究人员让这些虚拟宇宙经历了自己的虚拟膨胀，然后将重建方法应用到它们身上，看看它们是否能够回到原来的起点。他们发现，重建方法可以减少引力对观测到的星系分布的影响，让他们能够以一种有效的方式提取我们宇宙的初始条件的信息。

他们还发现，重建方法可以改善对宇宙暴涨时期的理解，因为它可以消除一些不确定性和偏差。例如，宇宙暴涨时期的持续时间和速度，以及宇宙的总能量和总密度，都是一些重要的参数，但是它们的真实值还不清楚。通过重建方法，宇宙学家们可以根据今天的宇宙网的形状，来推断出这些参数的可能范围，从而缩小它们的误差。

白崎说，重建已经应用到了真实的星系数据上，但是新的研究显示，它也可以应用到宇宙的膨胀时期上。白崎说，下一步是将重建应用到宇宙网的真实观测上。这些观测已经由新墨西哥的一台望远镜作为斯隆数字巡天的一部分完成了。这个巡天项目是世界上最大的宇宙学调查之一，它已经测量了超过一亿个星系的位置和运动，以描绘出宇宙网的三维地图。通过将这些数据与模拟的数据进行比较，宇宙学家们可以更好地重建和理解宇宙的膨胀历史。

用模拟和重建探索宇宙的奥秘

这项研究的意义非凡，它不仅能够帮助我们理解宇宙的起源和演化，还能够检验我们对物理定律的认识是否正确。在大爆炸后的那一刹那，宇宙中的温度和密度都达到了无法用常规物理学描述的程度，只有量子力学和广义相对论才能够解释这种极端情况。然而，这两种理论又是相互矛盾的，因此，我们需要一种更加完善的理论来统一它们，这就是所谓的大一统理论。

目前，还没有人能够提出一个令人信服的大一统理论，但是有一些候选者，比如超弦理论和环面理论。这些理论都预言了一些奇特的现象，比如额外的空间维度和平行宇宙。如果我们能够通过模拟和观测，重建出宇宙的初始状态，那么我们就有可能验证或者否定这些理论，从而揭开宇宙的最终奥秘。