紫光 ?发布时间： 2016-11-14 02:34
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解开宇宙之谜是一项棘手的任务，毕竟我们不能把行星放在培养皿里观察。
不过， 有个电脑模拟出来的新宇宙，据说将为天文学带来革命性进展⋯⋯
在所有科学领域中，天文学显得独树一格，因为它是研究远处之外的事物。地质学家可以到野外实地考察，甚至采集岩石带回实验室分析；生物学家、古生物学家和化学家也差不多，他们都非常仰赖实际操作。但如果你有兴趣的领域是星系，想要了解它们如何演进并塑造现今的宇宙结构，能做些什么？你既无法把星系搬回地球细细观察，望远镜提供的也只是为期短暂的静态星系图像而已。一群任职于英国杜伦与荷兰莱登的科学家想出的解决方法是：用超级电脑打造宇宙的复制品。
他们的心血结晶是名为「星系与周遭环境的演化与形成」（EAGLE）研究计划。这个虚拟的宇宙实境是一个边长超过三亿光年的巨大立方体，足以容纳一万个银河系大小的星系。
EAGLE 模拟恒星在星系中的位置分布图。
为了建构虚拟宇宙，研究团队必须回溯到第一批星系、甚至第一批恒星形成之前的时间点；此刻主要由三个因子主宰宇宙演化：暗物质、正常物质（又称重子物质）与暗能量。暗物质犹如不可见的骨架，宇宙的结构便是沿着这些骨架发展；暗物质浓密之处犹如重力产生的小洼坑，随着宇宙年龄渐增，越来越多正常物质受到吸引而汇聚其中；这些聚集的正常物质形成恒星，恒星又聚集起来成为星系。至于暗能量则是一种不可见的力，在大尺度上对抗暗物质的重力坍缩效应。
EAGLE 模拟宇宙里的气体，红色的温度最高，蓝色的温度最低。
团队曾用电脑模拟这些因子如何交互影响而形成恒星，结果差强人意。 「以前的模拟容易产生过大的星系，导致宇宙里有太多恒星。」杜伦大学的 EAGLE 成员理察‧鲍尔教授（Richard Bower）说。有鉴于此，光是采用三个关键因子的最新观测数据（例如由欧洲太空总署的普朗克卫星所测得的）还不够，EAGLE 还得纳入星系怎么从初生演化成熟的最新概念。
首先得建立模型，描述超新星爆发与黑洞吞噬物质如何影响所在星系的结构发展。鲍尔及其团队花了三年将这些因子转换成适切的程式码。费时的工作不止于此，从 DiRAC-II 超级电脑开始执行这些程式码到产生虚拟宇宙，运算时间足足超过一个半月。幸好计算结果不同凡响。「EAGLE 模拟出来的星系与真实星系的相似程度令人难以置信。」鲍尔说，「在我发表演讲时，听众花了五分钟才搞懂他们看的是模拟影像，而非真实照片。」
「EAGLE 所模拟的星系与真实星系的相似度高到不可思议。」─鲍尔教授，EAGLE 团队成员
DiRAC-II超级电脑
EAGLE 模拟研究仰赖超级电脑 DiRAC-II 提供强大的运算能力。
1.09亿人民币，DiRAC-II 超级电脑的原始造价，2012 年再度耗资1.33亿进行升级。
4,000 个核心处理器，需运算一个半月以上才能建立虚拟宇宙。
53,760 GB 随机处理记忆体（RAM）。
2.4 PB 储存容量，是制作《阿凡达》时所需容量的两倍以上。
第 12 名，2012 年英国超级电脑运算力排行榜上的排名。
恒星系统
电脑精确的模拟能力是研究真实宇宙的强大工具。你可以选定任一星系，点击鲍尔所谓的「红色大按钮」回到过去，从星系形成之初开始，观察它如何演变成今日的样貌，倘若星系演化理论与EAGLE 模拟出来的不符现况就删除。 EAGLE 也能协助破解谜团，因为天文学家用望远镜观察遥远恒星的同时也在眺望过去，他们所看到的是耗时数十亿年穿越太空而来的光，承载着发光星体当时的样貌资讯。我们确信宇宙早期有许多致密的红色星系，不过这些红色星系似乎随着宇宙演进而消失，再也见不到它们的踪影；现在 EAGLE 的模拟结果也显现这段过程。与望远镜不同之处在于，天文学家可以透过 EAGLE 将时光倒转，并且全神贯注在这些星系上，观察它们如何演变。
结果显示，在大多数情况下，这些小型红色星系会并入比它们大上许多的星系。 「EAGLE 告诉我们无法用其他方式得知的重大宇宙讯息。」鲍尔说。
这个模拟也为解开星系内，恒星诞生速率之谜带来一线曙光。
天文学家发现，比银河系大的星系里很少形成新的恒星；比银河系小的星系，其新恒星形成的速率却相当快。天文学家一直怀疑这和星系中心黑洞有关：星系越大，黑洞增长的速率越快，因而无法维持恒星形成速率；较小型星系的中心黑洞成长较为缓慢，让恒星有足够的形成时间。但目前尚不清楚为什么大型星系的黑洞成长较快。如今透过 EAGLE 的模拟，研究人员可以看出一些端倪。大型星系具有大量物质，中心附近的气体难以向外流出；而有了气体提供丰富的「食材」，中心黑洞因此源源不绝地吸入物质，「恒星形成于是停顿下来。」鲍尔说，「了解这个过程使我们向前迈进一大步。」
在透过电脑模拟回到过去并获得一些宝贵知识之后，研究团队接下来打算把目标转向未来，用 EAGLE 预测宇宙将会如何演变。不过这项任务远比回到过去更加棘手，要了解箇中原委，首先得回到宇宙演化的关键因子：「暗物质」与「暗能量」。
当宇宙扩张，星系逐渐彼此远离，暗物质产生的重力对整体而言遂减弱。然而在整个宇宙发展史上，暗能量的强度一直维持不变；也就是说，暗物质产生的引力终有一天会变得比暗能量的斥力还弱，至此之后宇宙便开始加速扩张。使用 EAGLE 模拟未来的困难之处就在于这样的加速扩张现象。
「暗能量效应会增加超级电脑的运算时间。」─ 鲍尔教授，EAGLE 团队成员
虚拟宇宙和真实宇宙一样，里头的暗物质（左上）远多于正常可见物质（右下）。
「暗能量的效应会增加运算时间。」鲍尔说，这样会让研究计划贵到几乎无法执行。
然而，鲍尔与同事满怀希望寻求解决方法，他们已经和美国电脑晶片制造商英特尔（Intel）合作，将下个世代处理器的设计架构与研究整合；如果研究团队能将新晶片的运算效能发挥到极致，可使运算速度增加十倍之多。鲍尔的团队也期待升级超级电脑，更进一步提升运算效能。如此一来他们就能将模拟尺度从目前的一万个银河系大小的星系扩增到三万个。有了更多的星系，他们就能着手进行严谨的统计分析，厘清像银河系这样的星系究竟有多普遍。
疯狂的计划
除此之外鲍尔还想做更多，提出了一个自诩为「疯狂的计划」，他想用 EAGLE 来检验我们的宇宙究竟有多独特。多年来，天文学家一直碰上无法解决的「微调问题」（fine-tuning problem），如果你仔细观察宇宙的一些基本常数，例如重力强度、暗能量的比例多寡等等，似乎都十分诡异地刚好彼此平衡。假设暗能量多了一些，宇宙会更早开始加速扩张，使得正常物质没有机会受暗物质吸引，而无法集中形成恒星与星系。究竟宇宙参数怎么会刚好是现在这样，形成一个容纳生命存在的宇宙？
解答之一，我们的宇宙并不是唯一。如果还有别的宇宙，而且每个宇宙的参数大小都不太一样，当然会发现自己的宇宙有着恰到好处的恒星、星系、行星及人类组成，我们几乎不可能住在一个参数设定错误的宇宙里。鲍尔希望运用EAGLE 厘清初始条件的变动是如何影响宇宙的面貌，并再度为「我们从何而来」提供洞见。
从许多方面来看，EAGLE 计划的成功象征一道分水岭。对天文学家而言，望远镜将不再是天文观测的唯一爱将，超级电脑的地位逐渐攀升中。
EAGLE 研究计划
EAGLE 模拟最大尺度的宇宙结构。
图片是 EAGLE 模拟最大尺度的宇宙结构。图中可见正常物质构成的触须状细丝，沿着不可见的暗物质骨架延伸出去。当宇宙年岁渐增，正常物质受重力吸引，逐渐往暗物质集中，然后形成恒星，最终成为星系。
模拟结果产生各种型态的星系，不只银河系这类螺旋星系而已。
天文学家依照「哈柏音叉图」将星系分类，如下图所示，椭圆星系位于左边，透镜星系在中间，螺旋星系则位于右边。 EAGLE 的模拟结果也符合这种模式。
EAGLE 模拟总共包含了一万个与银河系类似的星系，涵盖边长三亿光年的立体空间。
左下边大图是其中一个星系的美丽图案，具有年老黄色恒星构成的明亮中心，以及由年轻蓝色恒星标示、弯曲延伸的尘埃带。小图是电脑绘制的银河系想像图。
我们活在虚拟宇宙吗？
1998 年的电影《楚门的世界》（The Truman Show）里，影星金．凯瑞（JimCarrey）饰演的楚门．布班（Truman Burbank），住在一个为了实境秀节目而造的虚构小镇。主角觉得自己拥有真实人生，但他的家庭和朋友其实都是演员，甚至连天气都是由节目制作人所控制。最终他揭穿这场骗局，驾船试图朝向他以为的茫茫大海逃脱时，却在海中碰上一堵墙。多年来，许多科学家曾经怀疑我们是否处于类似的情境，或许我们生活在一个更高等文明所建立的虚拟宇宙里。
1998 年的电影《楚门的世界》，许多科学家曾经怀疑我们是否处于类似的情境，或许我们生活在一个更高等文明所建立的虚拟宇宙里。
要将这个想法斥为无稽之谈很简单，但它其实没有乍听之下那么离谱。它能一举解决微调问题，并解释为什么我们的宇宙简直是为了生命的存在而量身订作：因为就是有人刻意这么设计的。史蒂芬．巴克斯特（Stephen Baxter）在2001 年发表了一篇论文，详述他所谓的「星象馆假说」（Planetarium Hypothesis），主张我们的一切可能是个巨大模拟，包括所见的宇宙在内；他更进一步说明，一个极为先进的文明有能力建立直径为地日距离100 倍的虚拟宇宙。
自巴克斯特的论文发表以来，航海家 1 号太空船已经航行超过这个范围，虽然并未像楚门那样撞上一道墙，但仍然无法排除人们住在不完美虚拟宇宙里的可能性。如果这个模拟并不完美，或许有一天我们会揭发它。由赛拉斯．比恩（Silas Beane）领军的研究团队在2012 年发表了一篇名为〈宇宙若为数值模拟的约束条件〉（Constrains on Universe as A Numerical Simulation）之论文，指出「原则上，被模拟者永远有机会发现模拟者。」比恩与同事甚至提议，或许可以透过观测宇宙射线（相当于电影《骇客任务》（Matrix）中「来自母体的数据错误」之天文版）来找出虚拟宇宙的边界。
NASA 的航海家1号探测船在 2012 年进入星际太空，继续它未完的旅程。
本文摘自《BBC 知识国际中文版》第 62 期（2016 年 10 月号）。
http://pansci.asia/archives/108396
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