科学家在笔记本电脑上实现宇宙模拟

宇宙以星系、星系团和细丝结构交织成浩瀚的宇宙网，过去对这样复杂结构的建模一直依赖超级计算机和大量时间。如今，科学家们推出了一款名为Effort.jl的创新模拟器，它能够在笔记本电脑上以惊人的速度和精度模拟宇宙模型，部分情况下甚至优于传统模型。

DESI观测的两个主要区域对应着两个"扇区"，分别位于银河系平面上方和下方（参见此图）。DESI安装在美国国家科学基金会下属基特峰国家天文台（KPNO）的尼古拉斯·梅亚尔4米望远镜上，该天文台隶属NSF NOIRLab项目。DESI已绘制出迄今为止最大的宇宙三维地图，并利用该地图研究暗能量。地球位于两个扇形区域的中心，其中蓝色越深的点代表越遥远的天体。此图截取自DESI第三年数据地图的旋转动画。图片来源：DESI合作组/美国能源部/KPNO/NOIRLab/美国国家科学基金会/AURA/R. Proctor

单个星系虽然庞大，但在整个宇宙面前只是微不足道的一点。无数星系集结成星系团，巨大的超星系团由星系团进一步聚合，这些结构相互连接形成庞大的宇宙“丝状结构”，共同搭建出宇宙的三维框架，即宇宙网。

要理解如此宏大的结构，并非易事。科研人员需将宇宙的物理理论与望远镜观测结合，构建出如“宇宙大尺度结构有效场理论（EFTofLSS）”这样的重要理论模型。借助观测数据输入，这些模型可以统计描述宇宙网的结构特性，并计算其基本属性。

尽管像EFTofLSS这样的模型功能强大，却需要极高的计算资源。随着宇宙观测数据量以惊人速度增长，科学家亟需更高效的方法来处理数据同时保证精度。因此，模拟器应运而生。它们可大幅提升模型运算速度，复现复杂模型行为。

当然，快捷的模拟手段也引发了精确性的担忧。由意大利国家天体物理研究院（INAF）、帕尔马大学以及加拿大的合作团队开发的Effort.jl模拟器，已经通过实验证明其在真实和模拟数据上的准确性完全媲美原始模型，部分情况下甚至更胜一筹。而重要的是，这一切都可在普通笔记本电脑上于数分钟内完成。

“想象我们希望研究一杯水中微观成分，理论上可以做到。但若要详细描述水流动时全部分子的行为，所需计算量将呈爆炸性增长，几乎无法实现。”论文第一作者、加拿大滑铁卢大学的研究员马尔科·博尼奇这样解释道。

“类似地，有效场理论模型（如EFTofLSS）能将微观物理过程的信息编码，通过统计手段映射到宏观宇宙的行为。理论模型通过接收观测数据，并计算其结构‘预测’，但这过程极为耗时。在如DESI和欧几里得等天文学调查带来的大数据时代，每次都这样全量计算并不现实。”

“这正是我们引入Effort.jl这样模拟器的原因，它可大幅缩短计算时间、节约资源。”博尼奇补充道。Effort.jl的核心是一套神经网络，通过学习模型已计算出的输出，将输入参数与预测结果建立关联。训练完成后，网络能够对新参数组合进行快速泛化预测，虽然它本身不“理解”物理学，但对理论模型响应十分熟悉，可以高效“模拟”新情境。

Effort.jl的创新点在于它在算法中融入已有的物理规律，这让训练过程进一步提速。例如，它利用了参数变化时预测结果如何变化的梯度，从而通过更少的样本实现高效学习，这使得模拟器能在普通的笔记本电脑上运行。

这样的工具必须经过严格测试。新发表的研究显示，Effort.jl在真实和模拟数据中的预测与原理论模型高度一致。“有些情况下，以往模型为提升计算速度需要省略数据分析的一部分，但Effort.jl可以兼顾这些片段。”博尼奇表示，Effort.jl将成为DESI和欧几里得等实验数据分析的重要助手，有望极大促进我们对大尺度宇宙的认知。

相关论文《Effort.jl：一种用于宇宙大尺度结构有效场理论的快速可微分模拟器》已发表在《宇宙学与粒子天体物理学杂志》（JCAP）上。

编译自/ScitechDaily