科学家首次完全利用广义相对论开展模拟研究

在这个早期的宇宙模型中，物质倾向于在自身重力下聚集。资料来源:詹姆斯·默顿斯/CWRU

根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，宇宙学家第一次精确地模拟了宇宙的演化。

先前的模拟假设宇宙中的物质均匀分布以降低复杂性，但这与现实有很大不同。两组科学家的模拟计算将这一假设放在一边，从而更好地解释了天文学家日益精确的观测结果。

广义相对论把重力解释为时空的扭曲。在爱因斯坦于1915年提出这个理论后不久，一些人意识到它在宇宙中的巨大影响。20世纪20年代，比利时宇宙学家乔治·勒迈特等人指出，满足爱因斯坦理论的宇宙应该膨胀或收缩。与此同时，以美国天文学家埃德温·哈勃为代表的一个大阵营认为宇宙实际上正在膨胀。

然而，如果不为简化计算设定假设，就不可能在宇宙尺度上求解爱因斯坦方程。为了找到答案，勒迈特和其他早期相对论者假设物质在宇宙中均匀分布，而不是集中在恒星和星系中。

然而，很长一段时间以来，由于超级计算机不能进行完全的相对论计算，技术进步并没有改变这种情况。大多数宇宙学家只能继续模拟大爆炸后的宇宙。为了解释像星系和星系团这样的大型结构是如何由扩散的原始气体形成的，研究人员已经开始关注曾经被忽视的“过密”区域。这些区域在重力的作用下发展成巨大的结构。然而，这些模型只假设物质在它们所研究的相对较小的区域内不均匀分布，同时它们认为物质在更大的范围内仍处于均匀分布状态。

一些宇宙学家说宇宙学需要其他策略，而不仅仅是调整假设。"宇宙同质化是一项哲学发明。"意大利帕多瓦大学的一般相对论者萨比努·马塔里斯说。马塔里斯和其他人认为，过去的假设可能导致天文学家误解他们的观测数据，所以神秘的暗能量加速宇宙膨胀的结论也可能是不可靠的。

这一观点引发了热烈的讨论。然而，马塔里斯补充说，宇宙的同质化假设“部分是一个确证的推论，我们应该试着去质疑，而不是陷入剧本中”。

另一方面，意大利卡塔尼亚大学的数字相对论者埃洛伊萨·本提维格娜说，“原则上，遥远的星系在不均匀的宇宙中可能会加速衰退”，这与暗能量的作用类似。

目前，她与英国朴茨茅斯大学的马可·布鲁尼和美国凯斯西储大学的格伦·斯塔克曼联合进行了第一次不受任何限制的全尺寸宇宙模拟。

两个研究小组在模拟计算中使用的算法来自对双黑洞及其产生的引力波的计算。研究人员希望能够通过建立模型来回答为什么宇宙中的小尺度结构具有大尺度效应的问题。例如，黑洞可以在时间和空间上产生涟漪，但是它们的效果总是与基于平均的原始宇宙模型中的现实不一致，因为宇宙的性质是不均匀的，物质的分布也不均匀。

最近，相关论文分别发表在《物理评论快报》和《物理评论D》上。马塔里斯认为，尽管这项研究远未触及真实宇宙的复杂性，但它对相对论的“完全拥抱”是“革命性的”

据报道，两个研究小组在模拟过程中对不同的关键问题给予了不同的关注。欧洲科学家关注“超密度”结构是如何形成的，美国科学家关注宇宙是如何膨胀的，以及宇宙膨胀导致的时空扭曲是如何影响光的传输的。但是他们都说他们计划在未来提高模型的准确性。布鲁尼说:“在未来10年，我们认为下一代星系调查项目将带来大量数据。与此同时，借助更先进的大型望远镜和卫星，我们将能够获得宇宙参数的高精度测量结果。”

两组科学家构建了数字模拟技术，综合运用广义相对论获得了更精确的宇宙模拟，加深了他们对宇宙本质的理解。斯塔克曼说，从来没有人在数字相对论和宇宙学之间架起一座桥梁。这些论文代表着人类向前迈出的重要一步，即充分利用广义相对论来构建宇宙模型，并摒弃诸如对称性和平滑性等毫无根据的限制他说，“宇宙从不做假设。我们也应该这样做。”

然而，马塔里斯说，要充分挖掘这些技术的潜力，可能还需要20年的时间。研究人员还需要提高模型的准确性，以解释来自大型科学观测站(如平方公里阵列)的未来数据。

另一个重要的问题是物质在密集区域的合并是否会影响宇宙的膨胀。伊利诺伊州费米国家加速器实验室的宇宙学家斯科特·多德森说，下一代实验将能够探测到这种反应，这将是“一个伟大的胜利”。然而，他也指出，尚不清楚这两个团队的技术是否是理解这些力量所必需的，或者传统方法是否更合适。

无论如何，斯塔克曼相信最终，总的来说，宇宙学的标准模型将会保留——包括暗能量的存在。“但我们必须核实一下。”(张张)

中国科学新闻(2016-07-04第三版国际版)

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