科學家用超級計算機模擬4000個宇宙大爆炸,試圖揭開宇宙的奧秘
38 次觀看·2023年12月26日
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。
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《物理评论D》杂志上。
宇宙是如何誕生的
這是人類歷史上最古老也最深刻的問題之一
科學家們已經提出了一個廣爲接受的理論
極大爆炸理論來解釋宇宙的起源
根據這個理論
宇宙是從一個極小的高溫的高密度的狀態開始的
然後在一瞬間發生了劇烈的膨脹
形成了我們今天所看到的宇宙
但是這個理論並不能回答所有的問題
比如爲什麼宇宙會膨脹
膨脹的速度和規律是什麼
膨脹之前的宇宙是什麼樣子的
爲了解答這些問題
宇宙學家們需要探索大爆炸後的第一剎那
也就是宇宙的誕生之時
然而這並不是一件容易的事情
因爲在大爆炸後的那一剎那
宇宙中的一切都發生了翻天覆地的變化
從物質到能量
從空間到時間
從引力到暗能量
都經歷了前所未有的極端狀態
這些狀態是如此的極端
以至於我們現有的物理學
無法完全描述和解釋它們
我們需要一種新的方法
來重建和模擬這個關鍵的時刻
以揭開宇宙的奧祕
用超級計算機模擬宇宙的膨脹
爲了實現這個目標
一些日本的宇宙學家進行了一項前沿的研究
他們利用了日本國立天文臺的
Ataruii超級計算機
來模擬宇宙的膨脹過程
Ataruii是世界上最快的天文學專用超級計算機
它可以處理每秒於1.3萬一次的運算
相當於每個地球人每秒做100次運算
這樣的計算能力使得宇宙學家們
可以在計算機上創建和觀察宇宙的不同版本
來模擬宇宙的不同可能性
宇宙學家們在計算機上
模擬了4000個宇宙版本
每個版本都有略微不同的初始條件
來反映宇宙的隨機性
他們讓這些虛擬宇宙經歷了自己的虛擬膨脹
從大爆炸後的極爲小的一微秒開始
一直到今天的宇宙
在這個過程中
他們記錄了每個宇宙版本的各種參數
以及它們隨着時間的變化
他們還觀察了每個宇宙版本中的
星系的分佈和形成
以及它們與我們真實的宇宙的相似度
這些結果發表在1月4日的
《物理評論》D雜誌上是很有希望的
用重建方法還原宇宙的初始狀態
通過這些模擬
宇宙學家們的目標是描繪出
大爆炸後的直接後果
當時可觀測的宇宙
在極微小的一微秒內
突然膨脹了一萬一萬倍
這個時期被稱爲暴漲時期
是宇宙歷史上最重要
也最神祕的時期之一
通過將模擬的方法
應用到今天宇宙的真實觀測上
研究人員希望能夠準確地瞭解
這個暴漲時期的樣子
以及它對宇宙的影響
我們正在嘗試做一件
類似於從最新的照片中
猜測我們宇宙的嬰兒照的事情
研究負責人
日本國立天文臺的宇宙學家
白崎正人說
他指的是
我們現在看到的星系和星雲
而他們想要還原的
是這些天體最初的面貌和分佈
爲了做到這一點
他們需要一種方法
來消除宇宙膨脹過程中
產生的干擾因素
比如引力
今天的宇宙顯示出密度的變化
有些區域富含星系
有些區域相對貧瘠
對於這種可見物質的不均勻分佈
一個有前途的假設是
在大爆炸的時候
微小的原始宇宙中
已經存在了量子掌握
或者說是能量的隨機
暫時的變化
白崎說
當宇宙膨脹時
這些掌握也會隨之膨脹
密度較高的點
會延伸成比周圍更密集的區域
引力會與這些拉長的絲狀物相互作用
導致星系沿着它們聚集
這就形成了我們所說的宇宙網
它是宇宙中最大的結構
由無數的星系和暗物質組成
但是引力相互作用是複雜的
所以試圖倒退這個膨脹時期
以瞭解宇宙在此之前的樣子
是非常有挑戰性的
宇宙學家實際上需要從方程中
去除引力掌握
以還原宇宙的初始狀態
研究人員開發了一種重建方法
來做到這一點
這種方法可以根據
今天的宇宙網的形狀
推斷出宇宙暴漲時期的密度掌握
從而重建出宇宙的嬰兒罩
爲了找出重建是否準確
他們需要一種方法來測試它
所以他們使用了
Atari AI超級計算機
創建了4000個宇宙版本
每個版本都有略微不同的
初始密度掌握
研究人員讓這些虛擬宇宙
經歷了自己的虛擬膨脹
然後將重建方法應用到他們身上
看看他們是否能夠回到原來的起點
他們發現
重建方法可以減少
引力對觀測到的星系分佈的影響
讓他們能夠以一種有效的方式
提取我們宇宙的初始條件的信息
他們還發現
重建方法可以改善
對宇宙暴漲時期的理解
因爲它可以消除一些
不確定性和偏差
例如宇宙暴漲時期的
持續時間和速度
以及宇宙的總能量和總密度
都是一些重要的參數
但是它們的真實值還不清楚
通過重建方法
宇宙學家們可以根據
今天的宇宙網的形狀
來推斷出這些參數的可能範圍
從而縮小它們的誤差
白奇說
重建已經應用到了
真實的星系數據上
但是新的研究顯示
它也可以應用到宇宙的膨脹時期上
白奇說
下一步是將重建應用到
這些觀測已經由
新墨西哥的一臺望遠鏡
作爲絲龍數字尋天的一部分完成了
這個尋天項目
是世界上最大的宇宙學調查之一
它已經測量了
超過一億個星系的位置和運動
以描繪出宇宙網的三維地圖
通過將這些數據
與模擬的數據進行比較
宇宙學家們可以更好的重建
和理解宇宙的膨脹歷史
用模擬和重建探索宇宙的奧祕
這項研究的意義非凡
它不僅能夠幫助我們
還能夠檢驗我們
對物理定律的認識是否正確
在大爆炸後的那一剎那
宇宙中的溫度和密度
都達到了無法用常規物理學
描述的程度
只有量子力學和廣義相對論
才能夠解釋這種極端情況
然而
這兩種理論又是相互矛盾的
因此
我們需要一種更加完善的理論
來統一它們
這就是所謂的大一統理論
目前
還沒有人能夠提出一個
令人信服的大一統理論
但是有一些候選者
比如超弦理論和環面理論
這些理論都預言了一些奇特的現象
比如額外的空間維度和平行宇宙
如果我們能夠通過模擬和觀測
重建出宇宙的初始狀態
那麼我們就有可能驗證
或者否定這些理論
從而揭開宇宙的最終奧祕

