探索虚拟宇宙.docx

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1、探索虚拟宇宙　　宇宙学家已经用计算机“创造”了整个宇宙。现在天体物理学家关注于小行星碰撞以及超新星的细节问题。　　科学家向同行展示研究成果时，被激烈的质询可不是他们所期望的。然而当西蒙·怀特展示了一张图片——那是一簇星系的照片——在五月份林登召开的一次关于星系形成的会议期间，很多与会者脱口而出：“那是一张观测照片还是模拟图？”　　　　　西蒙·怀特展示的照片　　20年前未必会出现这种问题。那时，许多研究者以怀疑的眼光看待计算机模拟。然而，在20世纪80年代，包括星系群在内的大尺度结构计算机模型开始给人留下深刻的印象。现在，新的计算方法可以处理小尺度过程，从小行星碰撞到超新

2、星模拟，模拟的精确度空前的高。怀特的图像是模拟的，然而事实上，他被问到的问题显示了计算机研究的成果多么的成功。　　早先的模拟帮助科学家寻找宇宙中的神秘物质。星系与星系群来自大爆炸之后的粒子与辐射汤。人们已经很好的了解了控制这一演化过程的法则，例如牛顿运动定律。但是其他因素，例如冷暗物质粒子（CDM）（按照分类，暗物质可以分为冷暗物质、热暗物质、温暗物质和冷热混合型暗物质。冷暗物质粒子的质量在GeV数量级以上，例如弱相互作用重粒子（WIMP）——译注）所扮演的角色，还没有被详细地勾勒出来。科学家期望冷暗物质粒子在宇宙质量组成中扮演一个重要的比例，并且影响到宇宙演化的道路。

3、但是因为粒子不发出光或者电磁辐射，它们永远也不会被直接观察到。　　为了检验关于冷暗物质角色的不同理论，宇宙学家需要一个实验性质的宇宙。调整这个虚拟宇宙的初始条件，或者改变控制宇宙的规律，会改变宇宙演化的道路。通过对于类似于我们这个宇宙的（模型的）模拟研究，研究者能够检验不同的理论。　　自从20世纪80年代初，计算机已经可以模拟一个实用的虚拟宇宙。研究者发现诸如星系群之类的大尺度结构，只有把大量的冷暗物质考虑进来才能演化。这些研究增加了宇宙学家对他们的猜测的信心，现在大多数人都相信宇宙的大约95%是由冷暗物质构成的。　在黑暗中　　在这些成功之外，宇宙学和天体物理学还有许多

4、问题，例如单个星系的形成问题，仍然难以模拟。“描绘宇宙中冷暗物质的分布相对简单，”怀特说。他领导着德国Garching的马克思·普朗克天体物理研究所。“但是亮物质牵扯到更多的物理学，诸如恒星形成过程和超新星爆发。”　　很幸运，像怀特这样的研究者很快就能使用新一代的超级计算机。今年7月，欧洲研究者的室女座协会为他们的新宇宙学机器举行了落成典礼——那是坐落于英格兰都汉姆(Durham)大学的一台每秒运算2280亿次的计算机。在美国，由加州大学圣迭戈分校超级计算机中心和伊利诺伊大学国家超级计算应用中心领导的一个协作体近期也宣布将要建造一台每秒进行13.6万亿次的计算机。这一系

5、统将用于不同的研究领域，然而美国的宇宙学家和天体物理学家期望能够分配到一定的使用时间。　　通过使用这些新的计算机，科学家有可能修正星系形成的一些问题。例如，所有的大星系似乎被冷暗物质的晕环包围着。晕环的结构能够从它的引力场对于它围绕着的星系运动的影响测量出来。但是对于这一效应的观测结果并不与模拟的结果相一致。　　齐心协力　　新的计算系统代表了进来计算机设计的趋势。通过网络把计算能力弱的计算机连接起来，形成计算机群，研究者正在创造一个计算系统，它的性能堪比更大的计算机，但是花费只有大型计算机的一小部分。美国宇航局的科学家于1994年最先创造了这样一个系统，他们把它命名为裴

6、欧沃夫（Beowulf）——英国8世纪一部史诗的题目——于是名字就这样定了下来。　　圣迭戈和都汉姆的系统是相对较为昂贵的Beowulf系统的一个实例。更常见的是小预算的计算机群，一些这样的廉价系统被用来研究已经被成功模拟的更小尺度过程。　　“Beowulf是没有足够金钱的天文系的选择，”德里克·理查森这样说。理查森是马里兰大学的一位天体物理学家。理查森和他在西雅图华盛顿大学的同事（他在那里一直工作到了去年）使用Beowulf建立了早期太阳系小行星运动的模型。　　诸如小行星和彗星之类的小天体，在亿万年前聚集在一起形成了行星。理查森模拟了一类小行星之间的碰撞，结果表明只有少

7、数情况下——大约30%——碰撞会使小行星粘在一起。他的研究结果表明同等尺寸天体的碰撞在行星形成的过程中仅仅扮演了一个小的角色，大的小行星对于小的小行星的万有引力作用才是更重要的过程。　　　　　　　　　　　　　　　　　理查森模拟了一类小行星之间的碰撞　　但是Beowulf也有缺点。Beowulf的软件被设计成可以在很多计算机上同时运行。通过栅格把空间划分为小的区域是理想的。例如，为了建立太阳内部气体的流体动力学模型，太阳被划分成了一系列的（空间）单元。通过单元内部的物理过程和相邻单元之间的影响的模型，每台计算机负责模拟若干单元内气体的行为。