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？”这个问题曾被认为“不科学”甚至“毫无意义”。然而，最近发表在《Living Reviews in Relativity》上的一项研究提出了新的视角。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）组成的团队，正在借助超级计算机的力量，试图突破爱因斯坦方程的极限，探索那些曾被认为无法解决的宇宙之谜。
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据了解，爱因斯坦的广义相对论方程描述了引力如何塑造宇宙中物质和能量的行为。然而，当追溯到宇宙的最初时刻时，这些方程就会失效。在那一刻，方程预测会出现一个奇点 —— 一个温度和密度无限大的状态，已知的物理定律不再适用。在这种情况下，宇宙学家不能依靠他们通常的假设来求解方程。同样的问题也出现在描述其他极端环境时，例如黑洞的中心。
尤金・林解释说：“你可以在路灯周围寻找，但不能远离路灯，因为远处一片漆黑 —— 你就是解不出那些方程。数值相对论让你能够探索路灯之外的区域。”数值相对论最早在 20 世纪 60 年代和 70 年代被提出，试图解决黑洞碰撞和合并时会发出何种引力波（时空结构中的涟漪）的问题。这是一种极端情况，仅靠纸笔无法求解爱因斯坦方程，还需要复杂的计算机代码和数值近似。20 世纪 80 年代提出激光干涉引力波天文台（LIGO）实验后，该领域的发展重新受到关注，尽管直到 2005 年才通过这种方法解决了相关问题，这让人们希望该方法也能成功应用于其他难题。
宇宙暴胀是早期宇宙中一个极为快速的膨胀时期，最初被提出是为了解释宇宙为何呈现出如今的样貌 —— 将最初的一小块区域拉伸开来，使宇宙在广袤的空间中看起来相似。林指出：“如果没有暴胀，很多事情都无法解释。”然而，尽管暴胀有助于解释今天的宇宙状态，但没有人能够解释婴儿宇宙为何会有这种突然而短暂的快速增长。
问题在于，要使用爱因斯坦方程来探究这一点，宇宙学家必须假设宇宙最初是均匀且各向同性的 —— 而这正是暴胀理论试图解释的东西。如果你假设它最初处于另一种状态，那么“你就没有对称性来轻松写出你的方程”，林解释道。
但数值相对论可以帮助我们解决这个问题，允许采用截然不同的初始条件。不过，这并非一个容易解决的难题，因为在暴胀之前，时空可能存在无数种形态。因此，林希望利用数值相对论来检验源自更基础的暴胀理论（如弦理论）的预测。
还有其他令人兴奋的前景。物理学家可以利用数值相对论来尝试弄清楚假设中的宇宙弦（时空中长长的、细薄的“疤痕”）会发出何种引力波，这或许有助于证实它们的存在。他们或许还能预测我们的宇宙与相邻宇宙（如果这些宇宙存在的话）碰撞在天空中留下的特征或“痕迹”，这可能有助于我们验证多元宇宙理论。
令人振奋的是，数值相对论还有望揭示大爆炸之前是否存在一个宇宙。也许宇宙是循环的，经历了从旧宇宙到新宇宙的“反弹”，不断经历重生、大爆炸和大挤压。这是一个很难通过解析方法解决的问题。“反弹宇宙是一个很好的例子，因为它们达到了强引力区域，你无法依赖对称性”，林说，“已经有几个团队在研究它们了 —— 过去可不是这样的。”
数值相对论模拟极其复杂，需要超级计算机才能运行。随着这些机器技术的进步，我们对宇宙的理解有望取得重大突破。林希望团队的这篇新论文，概述了数值相对论的方法和益处，最终能帮助不同领域的研究人员跟上研究进度。
“我们希望切实拓展宇宙学与数值相对论之间的交叉领域，让对探索宇宙学问题感兴趣的数值相对论者能够着手开展研究，”林说，“也让那些对解决他们无法解决的问题感兴趣的宇宙学家能够利用数值相对论。”
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