科学家们首创的先进技术可以解决之前相关仿真计算中的精确性问题。
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史无前例地，宇宙学家终于可以充分利用爱因斯坦广义相对论，对宇宙的演变过程进行计算和推演。
分别位于欧洲和美国的两个研究团队所采用的技术，突破了将近一个世纪以来这方面研究的传统，可以解决之前经过简化处理的仿真的精确性问题，因此可以帮助研究人员们更好地解读天文学家们日渐精确的观测结果。
广义相对论将引力解释为时空的弯曲，这个理论由爱因斯坦于1915年提出，不久之后，其他科学家意识到广义相对论在宇宙学尺度上会产生更明显的效应。比利时宇宙学家勒梅特（Georges Lemaitre）和其他科学家在20世纪20年代提出在爱因斯坦广义相对论体系下，宇宙要么处于膨胀过程，要么处于收缩过程（同时，天文学家哈勃（Edwin Hubble）和其他研究者的观测结果表明我们的宇宙实际上正在膨胀）。
但是，要想在宇宙学尺度求解广义相对论的爱因斯坦方程，必须做出一些合理的假设，对计算进行简化处理。为了得出他们的结论，勒梅特等早期相对论研究者假定物质在空间中是连续且均匀分布的，而不是集中在大质量的恒星和星系中。
质量分布问题
高科技的不断涌现和发展并没有从根本上改变这样的状况，因为完整的不经简化的相对论计算对于超级计算机来说也是很困难的。大多数宇宙学家依然是通过简化计算方法这条前人走过的老路，为我们的宇宙，为由大爆炸诞生的宇宙建立模型。为了解释像星系和星系团这样的大型结构如何从弥散在空间中的原生气团演变而来，科学家们从一块较小的略微异常高密度（slight overdensity）的区域开始模拟，然后使其在引力作用下逐渐演变为块状结构。但是，这样的模型只在他们所研究的相对较小的区域内设定了质量的不均匀分布，而在更大的尺度下，依然是质量均匀分布的前提条件。
一些宇宙学家认为，与其说这样的方法是一个合理的假设，不如说是在对于计算必要的简化策略。“宇宙的均匀性是哲学范畴创造的产物”，来自意大利帕多瓦大学（University of Padua）的广义相对论学家Sabino Matarrese提到。在过去的十年时间里，Matarrese等人认为这样的假设可能已经导致天文学家错误解读了他们的观测数据，使得他们得出宇宙正在神秘暗能量的作用下加速膨胀的错误结论。
这样的观点引发了激烈的争论，但是他还补充道，宇宙均匀性假设，“在某种意义上来说，是一种循环推理，我们需要不断地质疑，不断地寻找问题，不断地寻找问题的答案。”
来自意大利卡塔尼亚大学（University of Catania）的数值相对论学家Eloisa Bentivegna提到，“从原则上来说，在一个质量分布不均匀的宇宙中，遥远的星系会看起来像是在以加快的速度退行”，就像是受到暗能量的作用。
携手共进，迈向未来
现在，Bentivegna和来自英国朴茨茅斯大学（University of Portsmouth）的Marco Bruni，以及美国俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学（Case Western Reserve University）的Glenn Starkman，还有她的同事一起，首次根据广义相对论对宇宙进行了完整、没有任何限制条件的模拟。每个研究小组分别使用超级计算机模拟了早期宇宙的膨胀过程和宇宙的时空如何弯曲使得物质在引力作用下聚集在一起，使得其他区域的气团减少，密度降低。
他们的研究论文，于6月24日发表在Physical Review Letters和Physical Review D上，虽然在该研究中，他们仍然未能重现真实宇宙全部的复杂性，但是Matarrese认为，他们对广义相对论的不加限制和简化处理的使用，“是革命性的”。
两个研究小组使用的技术存在些微区别，着重研究不同方面的问题：来自欧洲的团队的研究重点在于超密度结构的形成，而来自美国的团队则将目光聚焦于宇宙的膨胀过程以及它所对应的时空曲率对光线传播的影响。两个团队都表示，未来他们会增加他们的模型的精细度，使得它们可以与天文学家的实际观测结合起来。
他们所研发的数值计算模拟技术，之前已经应用在相互环绕的双黑洞时空弯曲计算中，而这样的结构所形成的引力波，在今年初已经证实被LIGO首次成功探测。Starkman认为，“这是数值相对论和宇宙学前所未有的结合”。
Mataresse提到，这些技术的潜质，用了大约二十年才挖掘出来。他和其他人认为，研究者们需要更加精确的预测来解释未来将会得到的重大科学观测结果，来检验目前看来可信度较高的一些理论，比如说暗能量的存在，而这些观测结果，包括了来自澳大利亚和南非的平方公里天线阵（Square Kilometer Array ）的观测数据。
那么问题来了：物质在高密度区域的集中，和后来所发生的星系的形成，是否会影响整个宇宙的膨胀？这样的“反向作用”也许会在下一代的实验中进行测试，而据来自伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的宇宙学家Scott Dodelson所说，这将是“巨大的成功”。但是，他也提到，是否需要这样的先进技术来研究这一问题还不甚清楚，可能更传统的方法也能胜任。
Starkman希望，当最终我们开始考虑整个宇宙蓝图的时候，标准宇宙学模型可以屹立——包括暗能量的存在，“但是我们必须要走到那一步，才能知道答案。
翻译：刘卓 审稿：赵昌昊
早期宇宙膨胀过程得到前所未有的精确模拟
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