若大爆炸非宇宙开端？超级计算机开启线索搜寻

IT 之家 8 月 25 日消息，“大爆炸之前是什么？”这一问题曾被视为“不科学”甚至“毫无意义”。不过，近期发表在《Living Reviews in Relativity》上的一项研究带来了新视角。由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，正借助超级计算机，尝试突破爱因斯坦方程的极限，探索曾被认为无解的宇宙之谜。

据 IT 之家了解，爱因斯坦的广义相对论方程描述了引力对宇宙中物质和能量行为的塑造。但追溯到宇宙最初时刻，这些方程便会失效。那时，方程预测会出现奇点，即温度和密度无限大的状态，已知物理定律不再适用。这种情况下，宇宙学家无法依靠常规假设求解方程。类似问题在描述黑洞中心等极端环境时也会出现。

尤金・林解释道：“你只能在路灯周围寻找，无法远离路灯，因为远处一片漆黑，根本解不出那些方程。而数值相对论能让你探索路灯之外的区域。”数值相对论于 20 世纪 60 至 70 年代被提出，旨在解决黑洞碰撞和合并时发出何种引力波（时空结构中的涟漪）的问题。这是极端情况，仅靠纸笔无法求解爱因斯坦方程，还需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，该领域发展再度受关注，虽直到 2005 年才解决相关问题，但人们希望该方法能用于解决其他难题。

宇宙暴胀是早期宇宙的快速膨胀时期，最初提出是为解释宇宙如今的样子，它将最初的一小块区域拉伸，使宇宙在广阔空间中看起来相似。林指出：“若没有暴胀，很多现象都无法解释。”然而，尽管暴胀有助于解释当前宇宙状态，但没人能解释婴儿宇宙为何会突然且短暂地快速增长。

问题在于，用爱因斯坦方程探究此问题时，宇宙学家需假设宇宙最初均匀且各向同性，而这正是暴胀理论试图解释的内容。林解释说，若假设其最初处于其他状态，“就没有对称性来轻松写出方程”。

但数值相对论可解决该问题，它允许采用不同的初始条件。不过，这并非易事，因为暴胀之前，时空可能有无数种形态。因此，林希望用数值相对论检验源自更基础的暴胀理论（如弦理论）的预测。

还有其他令人期待的前景。物理学家可用数值相对论研究假设中的宇宙弦（时空中长长的、细薄的“疤痕”）会发出何种引力波，这或许能证实其存在。他们还可能预测我们的宇宙与相邻宇宙（若存在）碰撞在天空留下的特征或“痕迹”，这有助于验证多元宇宙理论。

令人振奋的是，数值相对论有望揭示大爆炸之前是否存在宇宙。也许宇宙是循环的，经历从旧宇宙到新宇宙的“反弹”，不断重生、经历大爆炸和大挤压。这很难用解析方法解决。林说：“反弹宇宙是很好的例子，因为它们处于强引力区域，无法依赖对称性。已有几个团队在研究，过去可没有。”

数值相对论模拟极其复杂，需超级计算机运行。随着这些机器技术进步，我们对宇宙的理解有望取得重大突破。林希望团队的新论文，概述数值相对论的方法和益处，能帮助不同领域的研究人员跟上研究进度。

林表示：“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开展研究，也让对解决难题感兴趣的宇宙学家能利用数值相对论。”

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