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芯片上的宇宙

2017-08-26 23:09:41   作者:王乔   来源:科技日报   分享:扫描到手机

芯片上的宇宙,   图为宇宙演化的过程中同一块区域在不同时间的密度演化。图中的亮度对比反映了物质密度的分布。最左边是宇宙年龄14亿岁的时候的样子,最右边的是宇宙今天的样子。可以看

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   图为宇宙演化的过程中同一块区域在不同时间的密度演化。图中的亮度对比反映了物质密度的分布。最左边是宇宙年龄14亿岁的时候的样子,最右边的是宇宙今天的样子。可以看出,宇宙在初始密度稍微高的地方开始不断聚集,空旷的区域也更加明显。在密度最大的地方,物质形成了星系团这样巨大的结构。图片来自Katrin Heitmann等论文

 
  今年五月,中科院国家天文台与网络中心超算中心在目前世界排名第一的无锡太湖之光超级计算机上进行了测试,针对国产神威CPU的架构,综合最新的算法与优化方式,完成了超过10万亿粒子的宇宙模拟的测试工作。这个过程,动用了太湖之光整机一千万CPU核进行计算,其规模可见一斑。
 
  我们经常看到堪称完美的宇宙图景:明亮的节点、交错的条网。这样的图景很有可能并非来自观测,而是计算机模拟。实际上,超级计算机除了在地震、能源、大气等领域有应用的价值,在科学研究中也起到越来越重要的作用,其中天文学领域中的宇宙N体模拟就是一个非常好的例子。
 
  主导宇宙的力量
 
  所谓宇宙,就是包含了大千世界中所有物质的存在,它的物质的演化非常复杂。要用计算机模拟宇宙演化过程,必须对宇宙演化有个基本了解。
 
  根据暴胀理论,宇宙在经历过极早期的急速暴胀之后开始进入热大爆炸阶段,宇宙中开始形成物质。由于当时的能量极高,整个宇宙中的物质处于高温状态,相互之间频繁地作用。打个比方,就像是煮开的一锅粥,物质分布的种子在宇宙童年时是非常均匀的。随着宇宙膨胀,物质能量密度越来越稀疏,最终炽热的原初火球逐渐冷却了下来,宇宙也进入了黑暗时期,恒星和星系开始形成,宇宙再次被电离。没有了中性氢的阻挡,光子自由地在宇宙空间中飞行了130亿年后来到我们的地球。
 
  引力在宇宙结构演化中扮演主角。物质结构的种子在引力的作用之下,高密度的地方变得更加密集,低密度的地方变得更为稀疏。这非常类似于人口流动:“有吸引力的地方变得更密集,而荒芜的地方变得更荒芜。”引力是人类认识得最久远的相互作用之一。对于三体引力系统还可以使用一些理论分析的方法,但是对于更为复杂的系统来说,理论常常是有局限的,这时数值模拟就是最好的工具。
 
  实际上占总比20%以上的暗物质,它在其自身引力的强大吸引下,从宇宙创生之初的均匀状态渐渐演化成一个大尺度网状的结构。而我们通常熟悉的物质在宇宙空间中多以气体的状态存在着,它们比只有引力相互作用的暗物质要精彩得多:气体可以形成星系,星系中又能形成恒星,恒星死亡之后再次反馈气体到空间中去。这些过程在宇宙中各个角落不停地上演。而宇宙中可以观测的发光体与暗物质分布有着非常深刻的联系。我们的银河系到底是宇宙的一个典型的星系还是一个特别的存在,它形成的过程又是怎么的?本质上来说,这些都依赖于我们对于宇宙物质演化,乃至于星系形成的深刻理解。
 
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