宇宙无须假设 科学家首次完全利用广义相对论开展模拟研究
在这个宇宙早期模型中，物质趋于在自身引力作用下集中。图片来源：James Mertens/CWRU
宇宙学家首次根据完全的艾伯特·爱因斯坦广义相对论对宇宙演变进行了精确的模拟计算。
之前的模拟计算都假设宇宙中的物质是均匀分布的以降低复杂度，但这与现实有显著差异。此次两组科学家的模拟计算则抛开了这一假设，从而能更好地解释天文学家日益精确的观测结果。
广义相对论将重力解释为时空扭曲。1915年，爱因斯坦提出该理论后不久，就有人意识到它在宇宙范畴中有重大影响。上世纪20年代，比利时宇宙学家Georges Lemaitre等人就指出，满足爱因斯坦理论的宇宙应当发生了膨胀或收缩。同时，以美国天文学家Edwin Hubble为代表的一大阵营认为，宇宙实际上在不断膨胀。
但不设定假设进行简化计算，在宇宙尺度上解出爱因斯坦方程式是不可能的。为了找出答案，Lemaitre等早期相对论者假设物质在宇宙中均匀分布，而非集中在恒星和星系中。
然而，一直以来，由于超级计算机也无法进行完全相对论计算，技术进步未能改变这一现状。大多数宇宙学家只能继续从大爆炸入手模拟宇宙。为了解释星系和星系簇等大型结构是如何形成于弥漫的原始气体的，研究人员开始关注曾忽视的“过密”区域。这些区域在重力作用下发展成块状结构。但这些模型仅在其研究的相对较小的区域内假定物质的不均匀分布，同时在更大范围内认为物质仍是均匀分布状态。
一些宇宙学家表示，宇宙学需要其他策略，而非仅仅调整假设。“宇宙同质化是哲学发明。”意大利帕多瓦大学广义相对论学家Sabino Matarrese说。Matarrese等人认为，过去的假设可能导致天文学家错误地解释了他们的观测数据，因此得出的神秘暗能量加速宇宙膨胀的结论可能也是不靠谱的。
这一观点引发了激烈讨论。但Matarrese补充道，宇宙同质化假设“部分属于询证推论，我们应试着质疑而非深陷剧本之中”。
另一方面，意大利卡塔尼亚大学数字相对论学家Eloisa Bentivegna表示，“原则上，在不均匀的宇宙中，遥远的星系可能呈现出加速衰弱”，这模仿了暗能量的作用。
目前，她联合英国普兹茅斯大学的Marco Bruni，以及美国凯斯西保留地大学Glenn Starkman团队分别完全根据广义相对论，在没有任何限制条件的情况下，进行了首次宇宙全模拟计算。
这两个研究组模拟计算所采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构建模型回答这样一个问题：为何宇宙中的小尺度结构会在大尺度上产生影响。例如，黑洞能够产生时空中的涟漪，但其效应在原先根据平均化构建的宇宙模型中总是与实际不相符合，因为宇宙的本质是参差的，物质的分布并不均匀。
近日，相关论文分别刊登于《物理评论快报》和《物理评论D》。Matarrese认为本次研究尽管远没有达到真实宇宙的复杂度，但对相对论的“完全拥抱”是“革命性的”。
据悉，这两个研究团队在模拟时所关注的重点问题不同，欧洲科学家关注“过密度”结构是如何形成的，美国科学家关注宇宙如何膨胀，以及宇宙膨胀产生的时空扭曲如何影响光的传播。但他们均表示在未来计划提高模型的精确度。Bruni表示：“在接下来的10年内，我们认为下一代的星系巡天项目将会带来海量数据，同时借助更加先进的大型望远镜和卫星，我们将能够获取高精度的宇宙参数测量值。”
两组科学家构建了数字模拟技术，全面运用广义相对论得到宇宙更精确模拟并加深了对宇宙本质的理解。Starkman表示，没有人曾架构起数字相对论和宇宙学之间的桥梁。“这些论文代表了人们向前迈出的重要一步，全面运用广义相对论进行对宇宙模型的构建，而抛弃了没有根据的对称性和平滑性等限制。”他说，“宇宙从不作假设，我们也应该一样。”
不过，Matarrese表示，要充分挖掘这些技术的潜力可能还要20年。研究人员还需要提高模型精确性，以解释平方公里阵列等大科学观测台未来将得到的数据。
另一个重要问题是，密集区域物质合并是否影响宇宙膨胀。伊利诺伊州费米国立加速器实验室宇宙学家Scott Dodelson表示，下一代实验将能检测这种反作用，这将会是“一个伟大胜利”。但他也指出，目前尚不清楚这两个团队的技术是否为理解这些作用力所必需的，或者常规方法更合适。
无论如何，Starkman认为，最终，整体而言，宇宙学的标准模型将继续保留——包括暗能量的存在。“但我们必须检查。”（张章）