海洋天堂读后观后感:探索虚拟宇宙

　探索虚拟宇宙                        　　 GOVERT SCHILLING             　（柯南译自Nature 414, 12 - 14）            

　

　　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。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。

　　对这个过程的模拟可以使用Beowulf，因为每一个空间单元
仅被相邻单元影响，而计算机之间需要的的通讯量有限。然而在
其他模拟中，事情就不那么简单了。

　　加州大学圣克鲁兹分校的Erik Asphaug使用廉价的Beowulf
建立早期地球和形成月球的原始行星之间的碰撞模型。他把系统
划分为了一系列“实验粒子”，由单个计算机分别负责模拟。但
是系统中最重要的力——引力——在所有粒子之间作用，因此每
一台计算机都要和其他所有计算机通讯，这令模拟变得缓慢。
Asphaug承认他有点嫉妒像理查森那样可以使用并行计算的人。
理查森的小行星模拟中，引力也是非常重要的，他遇到了类似的
问题。

　　球状群——球状星团或者星系群——使用Beowulf也很难模
拟。原则上，一个Beowulf系统可以模拟它们，但是，与Asphaug
的模拟不同的是，恒星不能被集中起来作为单个“实验粒子”。
例如，不同质量的恒星演化的过程不同。由于群包含了成百上千
甚至上百万的恒星，对它的模拟要求同等数量的“实验粒子”。


           　　富有成果的配置


　　由数百万计算机组成的Beowulf系统是不可行的，因此普林
斯敦高级研究院的研究者使用了不同的方法建立球状群的模型，
他们使用硬件互联的计算机解描述引力相互作用的方程，而不是
编写在通用计算机或者网络上运行的程序。这种计算机，被称为
GRAPE-6，是由东京大学的研究者设计的，具有每秒数百万亿次
运算的卓越性能。它是去年世界上速度最快的计算机。

　　　
    　　　　　　　  东京大学的GRAPE-6
　　普林斯顿的研究组说这种计算机很快就能够模拟数百颗恒星
（组成的球状星团）。研究组计划早期宇宙的条件如何影响了球
状群的演化。例如，它有希望解释为什么一些群包含了许多毫秒
脉冲星——一种双星，其中一颗星的物质被另一颗吞食——然而
另外一些群只包含了很少这样的系统。

　　但是GRAPE-6的使用者没法在午饭时间用它玩游戏。这种计
算机被设计成用来解决特定的问题，而不能做其他任何事情。对
于一些研究者，这种设计是一种缺点。“对于一些领域，GRAPE
很棒，”戴维·克拉克说。克拉克是加拿大圣玛丽（Saint Mary）
大学的计算天体物理学家。“但是天体物理的一些领域是棘手的，
因此你确实需要一台通用计算机。”

　　对于一些这样的棘手问题，研究者转向了超级计算机，它们
可以模拟一系列不同的物理过程。国家能源研究科学计算中心新
的50万亿次计算机（由加州劳伦斯—伯克利国家实验室管理）就
是这样的一个例子。这台计算机以已故的核物理学家格伦·西博
格（Glenn Seaborg）的名字命名。西博格是诺贝尔奖得主，也
是这个实验室的前副主任。这台计算机是世界上最强大的非机密、
通用超级计算机。

　　西博格现在被用来研究超新星，这是宇宙中最复杂的物理问
题之一。超新星爆发包含了极端的条件，包括极高的密度和温度，
以及尚未被理解的现象，例如强磁场和引力波的产生。它们演化
的非常快。

　　“许多年前，我们开始进行粗糙的一维模拟，”亚利桑那大
学的Adam Burrows说。Burrows在一个由12名天体物理学家组成
的超新星研究小组中工作。“但是一维超新星似乎不会爆发。”
经过改进的二维模拟表现了一些过程，例如超新星爆发时的对流。
Burrows的合作者，也是田纳西州Oak Ridge国家实验室的竞争者，
现在计划使用三维的模型深入研究这一问题。

　　“我们打算用现有的恒星演化模型研究超新星的爆发。”
Burrows说。他计划使用恒星演化的模型，直到恒星生命的尽头。
那时候，一颗真实的恒星将开始坍塌。通过给模型增加额外的细
节，例如对于恒星内部核反应过程更好地描述，他希望模拟能够
再现同样的过程。研究组将会分析虚拟爆发的细节，然后与真实
超新星的数据进行对比。

　　在这一过程中，研究者希望揭示超新星研究中一些未知的东
西，例如控制中微子产生的过程——由爆炸产生的质量微小的亚
原子粒子。爆炸产生的中微子离银河系很近，例如超新星1987A
产生的中微子。这些中微子能够在地球上被探测到。研究者希望
在银河系中类似的爆发每几十年就发生一次。不同类型的超新星
可能产生不同数量和能量的中微子，所以，更好理解这一现象有
助于对未来的爆发进行分类。


                　　行星建造者


　　西雅图华盛顿大学的Tom Quinn使用超级计算机克雷（Cray）
研究另一个知之甚少的问题——地球如何补充碳和水。像其他行
星一样，地球由太阳形成后气体盘中剩余的固体物质和碎石形成。
但是形成地球的气体盘的部分离太阳太近，从而水或者碳不可能
以固态存在。

　　一些研究者提出曾经有含水和碳的小行星在被抛出远离太阳
的轨道后撞上地球。但是Quinn最初的模拟结果显示，行星演化
的中期，即大约45亿年前，不同轨道的天体之间物质的转移很少。
这一结果让人倒向水和碳是由后来撞击地球的彗星携带来的观点，
这一过程大约在38亿年前。

　　没有西博格或者克雷的研究组仍然有机会使用这些计算机，
这应该感谢计算共享技术。圣玛丽大学的克拉克和他的同事最近
购买了一台速度为每秒100亿次的计算机。使用政府基金（购买）
的条件是，让加拿大的其他科学研究机构也能使用这台计算机的
计算时间。这将通过一个连接着这个国家最强大计算机的网络完
成。送到网络上的任务将会在计算机空闲时被分布式的计算，使
用者可以选择最适合他们模拟的计算机类型。

　　克拉克为这个网络增添的新设备将会被圣玛丽的计算天体物
理研究所的研究者使用。这个研究所所需的资金已经筹到了，克
拉克说，明年的这个时候他准备在适当的位置增添五、六个人。
研究组的准确方向还没有确定。“我们不能涉及整个领域，”克
拉克说。“我们必须选定一个主题，例如恒星和星系的起源，或
者恒星生命的循环。


　　              诱人的仿真


　　圣玛丽和别处旋风般的活动表明模拟变得多么重要。更强大
的计算机毫无疑问将在其中扮演一个角色。但是对于宇宙学家，
更好的观测数据——例如对于宇宙微波背景辐射的精确测量，即
大爆炸之后50万年的辐射数据——也是必需的。“这些数据却是
约束着宇宙学参数，” 加州大学圣迭戈分校的Mike Norman说。
“很多年前，你不得不用不同的参数进行很多次模拟。现在你只
要使用一种模型就可以对此后发生的现象作非常详细的推算。”

　　然而这样的成功也带来问题。当模拟变得越来越大时，人工
解释模拟的结果将变得困难。“对于大量计算机数据的后处理和
分析是需要大量人工工作的”，怀特说。“并且它很难自动化。”
这需要新的软件。理查森说，计算机越来越快，然而计算机算法
要跟上步伐。

　　这个问题或许是早期研究人员进行模拟时最少担心的。“它
曾经被认为是魔法，由沉湎于恶作剧的人表演，”Norman说。许
多理论家拒绝相信模拟的结果，除非它被其他方式验证过。

　　现在，新的观测计划的思想常常萌芽自计算机模型，这显示
了它们是多么的可靠。在天文学领域的大多数情况中，模拟、理
论和观测三足鼎立。



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