超级计算机模拟宇宙起源：大爆炸或许并非起点

8月25日消息，“大爆炸之前是什么？”这个问题曾长期被视为“不科学”甚至“毫无意义”。不过，最近一项发表于《Living Reviews in Relativity》的研究提出了全新视角。来自伦敦国王学院的宇宙学家尤金・林（Eugene Lim）、伦敦玛丽女王大学的天体物理学家凯蒂・克劳（Katy Clough）以及牛津大学的乔苏・奥雷科埃特克斯（Josu Aurrekoetxea）组成的研究团队，正借助超级计算机的力量，尝试突破爱因斯坦方程的极限，探索那些一度被认为无解的宇宙谜题。

据了解，爱因斯坦的广义相对论方程描述了引力如何影响宇宙中物质与能量的行为。然而，当我们试图追溯宇宙最初的那一刻，这些方程却会失效。此时，方程预测将出现一个奇点——即温度和密度无限大的状态，所有已知物理定律在此均不再适用。面对这种情况，宇宙学家难以沿用常规假设求解方程。类似问题也出现在其他极端环境中，例如黑洞的中心。

尤金・林对此解释道：“你只能在路灯周围寻找答案，却无法走得太远，因为远处一片漆黑——那些方程根本解不出来。数值相对论让我们有机会探索路灯之外的区域。”数值相对论最早于20世纪60至70年代被提出，旨在研究黑洞碰撞与合并时产生的引力波——即时空结构中的涟漪。这类极端情形无法仅凭纸笔推演爱因斯坦方程，而需借助复杂的计算机代码与数值逼近方法。尽管早在20世纪80年代就提出了激光干涉引力波天文台（LIGO）实验构想，但直到2005年相关计算问题才真正得以突破，这也让学界对该方法应用于其他难题抱有更高期待。

宇宙暴胀指的是早期宇宙一段极为迅猛的膨胀阶段，最初被提出是为了解释宇宙为何呈现当前状态——它将最初的一小块区域急剧拉伸，使得宇宙在极大尺度上显得均匀。林强调：“如果没有暴胀，很多现象都难以解释。”然而，尽管暴胀理论很好地诠释了宇宙现状，却无人能说清婴儿宇宙为何会经历如此短暂而剧烈的膨胀。

问题在于，若要使用爱因斯坦方程探究这一阶段，宇宙学家必须假设宇宙最初是均匀且各向同性的——而这恰恰是暴胀理论试图解释的起点。林进一步指出，如果初始状态并非如此，“你就失去了对称性，难以轻松建立方程”。

数值相对论恰恰为此提供了新路径，允许研究者采用截然不同的初始条件展开推演。不过，这绝非易事，因为在暴胀发生之前，时空可能存在无数种形态。因此，林希望借助数值相对论验证一些更基础的暴胀理论——例如弦理论所提出的预测。

除此之外，这一方法还带来其他令人振奋的可能性。物理学家或可借助数值相对论，推测假设中的宇宙弦——即时空中细长而薄的“疤痕”——会发出何种引力波，从而为证实其存在提供依据。他们甚至有望预测，如果存在其他宇宙，我们的宇宙与相邻宇宙相撞可能会在天空中留下何种特征或“痕迹”，这或许将成为验证多元宇宙理论的关键。

更引人瞩目的是，数值相对论还有可能揭示大爆炸之前是否还存在另一个宇宙。也许宇宙本身是循环的，经历着从旧宇宙到新宇宙的“反弹”，不断重复着诞生、大爆炸与大挤压的过程。这类问题很难通过传统解析方法攻克。“反弹宇宙是一个典型例子，它们进入了强引力区域，无法再依赖对称性假设，”林表示，“目前已有若干团队正开展相关研究——这在过去是不可想象的。”

数值相对论模拟极为复杂，必须依赖超级计算机才能完成。随着超算技术的持续进步，人类对宇宙的认知也有望迎来重大突破。林希望团队这篇新论文——系统阐述了数值相对论的方法与价值——能够帮助不同领域的研究者跟上最新进展。

“我们真正期待的，是拓宽宇宙学与数值相对论之间的交叉研究空间，”林说道，“既让那些对宇宙学问题感兴趣的数值相对论专家能够开展实际研究，也让希望攻克难题的宇宙学家学会运用数值相对论这一有力工具。”