米兰官网-18天，4.2万亿个粒子，中国科学家模拟出了一个宇宙—新闻—科学网

1941年，瑞典天文学家埃里克 霍姆伯格（Erik Holmberg）完成为了一项“脑洞年夜开”的试验。

这位天文学家意想到，引力及光的亮度都与间隔成平方反比瓜葛，那末就能够用灯胆的亮度来类比引力作用强度。他用74个灯胆及光电池，“手搓”出生避世界上第一台“引力模仿计较机”，让人类于85年前就“瞥见”了星系碰撞。

这是人类汗青上最早的“模仿宇宙”测验考试，那是一个没有电子计较机的年月。

来到超算时代，人们又可以阐扬新的想象力。就于2026年4月23日，中国科学院国度天文台发布宇宙学模仿项目“千衍”。由中国科学家领衔的国际团队用4.2万亿个虚拟粒子，于超等计较机上持续运行18天，模仿出一个边长约120亿光年的立方体宇宙，包罗了已往百亿年汗青的宇宙年夜标准布局的演化。

更惊人的是，他们没有决心“设计”，却于数字世界里天然演化出宇宙中最极度、最繁杂的星系团——潘多拉星系团（Abell 2744）。

埃里克 霍姆伯格的“手搓引力模仿计较机”剖面图源自其1941年论文

人们能不雅测星空，却不克不及拿宇宙做反复试验，在是天文学家想到一个措施：用计较机模仿一个宇宙。

模仿宇宙的决议性主导气力是引力，宇宙布局纷纭繁杂但并不是彻底随机地涌现。于天文学家看来，宇宙有一种宿命感，只要最初统计上准确地设置了初始前提，引力就会让布局天然而然地涌现出来。

科学史上第一个真正意义上的宇宙学N体模仿，可以追溯到1975年。物理学家詹姆斯 皮布尔斯（James Peebles）初次经由过程计较机模仿的方式研究了宇宙年夜标准布局的形态和其演化纪律。他用1500多个虚拟粒子，于膨胀的配景时空中初次证实了引力不不变机能形成宇宙年夜标准布局，开启了数十年的数值宇宙学时代。

跟着计较机技能及算力的迅速晋升，模仿宇宙进入了年夜范围的数值模仿时代，粒子数到达了万亿的量级。加之巡天成果带来的海量不雅测数据，宇宙学理论模子越发切确。

中国科学家这次主导的“千衍”模仿，是现今全世界范围最年夜的超高精度宇宙学模仿之一。

他们要验证现代宇宙学的尺度模子——ΛCDM模子。此中，希腊字母Λ代表宇宙常数或者暗能量，CDM代表由质量年夜、运动迟缓的粒子组成的冷暗物资。

之以是要用虚拟暗物资粒子，是由于于ΛCDM模子中，暗物资才是宇宙的“主角”，是宇宙布局的引力骨架，主导着星系团形成。同时，暗物资仅受引力作用，是以其N体模仿的物理历程最为简朴。

“千衍”模仿效果图

为何潘多拉星系团于这个研究中云云主要？假如把人们不雅测到的宇宙比作一片艰深的超等渔场，那末潘多拉星系团就是此中最稀有、最狂野的一头“深海巨兽”。它跨距30亿光年的空间，席卷了多个各自自力的星系团，因其过在重大、布局过在繁杂，一度被思疑是否可以或许于尺度模仿中自洽地孕育发生出来。

假如能复现潘多拉星系团，那也就象征着，ΛCDM模子纵然于最极度的前提下，依然可以或许建立。

研究者利用了4.2万亿个虚拟暗物资粒子。每个粒子约莫代表3亿个太阳的质量，这就象征着更高的分辩率以和越发靠得住的统计计较成果，从而可以或许看清星系团内部细节，罕见天体也再也不是偶尔的“偶合”。

图左为“千衍”模仿的潘多拉星系团，图右为不雅测看到的潘多拉星系团。

他们构建了一个边长约120亿光年的巨年夜空间，只有充足年夜的空间，才能孕育发生充足多的星系团。于引力作用下，这些粒子彼此牵引并交叉成网状布局。

为何要选择4.2万亿这个数字？中国科学院国度天文台副研究员李明注释道，这并不是盲目寻求范围，而是一场“均衡的艺术”。粒子越多，模仿的细节越精准，但泯灭的算力及电费也越惊人。研究团队于科学方针、工程成本与现有超算极限之间，找到了这个最优的均衡点。

中国科学家终极筛选出851个红移与潘多拉星系团高度相近的宇宙布局，代表这些布局处在统一宇宙演化期间；此中有一个星系团的模仿构型，与詹姆斯 韦布空间千里镜对于潘多拉星系团的不雅测成果高度吻合。

ΛCDM 尺度宇宙模子经受住了查验。这就象征着，从宇宙年夜标准到星系团，再到星系级别，人类的物理认知获得了验证。

计较4.2万亿个粒子的运动，绝非易事，但也不像科幻小说中的三体问题那样险些不成解。

科学家并无去计较粒子两两之间的引力，而是采用越发精良的设计，好比将年夜标准的计较与小标准的计较支解开来，再利用优化的要领加快局部细节，末了交由超算中的GPU完成高强度计较。

真实的挑战仍旧于在计较范围自己。

该模仿依托中国科学院计较机收集信息中央“东方”超等计较机运行，利用了由国度天文台团队自立开发的软件PhotoNs。这项计较需要4000个节点于18天内连续协同运行，对于同步性及不变性的要求极高。介入计较的近1.6万张显卡、上万万计较单位，必需于同一节拍下推进；一旦某个节点呈现异样，就可能影响总体计较进程。

中国科学院国度天文台研究员王乔先容：“18天焦点运行，绝非‘挂着等成果’，而是一个需要连续监控及干涉干与的历程。”研究职员需要及时跟踪体系状况，确保这项万亿粒子级另外计较不中止。

为了这18天的巅峰冲刺，研究团队于幕落伍行了长达10年的算法调优与软件适配。

“千衍”的首篇学术论文于英国《皇家天文学会月刊》发表。王乔及李明恰是该文的通信作者。王乔说：“这不是一个发明型主导的研究，而是打造了一个数据平台及基座，模仿数据将为中国空间站巡天千里镜（CSST）、欧洲空间局欧几里患上空间千里镜（Euclid）等年夜型巡天项目提供主要的科学支撑。”

要知道，宇宙之浩瀚，使患上人类的巡天不雅测犹如于无垠暗中中试图用一把特制的尺子测量星系的漫衍。当科学家经由过程年夜型巡天项目绘制史上最弘大的“宇宙三维舆图”时，一个素质挑战随之而来：咱们难以判定手中的“尺子”是否变形，视野是否已经被扭曲，甚至不知道宇宙自己的'尺度尺码'是几多。

解决之道隐蔽于超算的算力之中，经由过程从零最先“培育”出的虚拟宇宙，研究者可以预演各类物理情境，并将其与真实不雅测数据举行对于标。

王乔进一步注释，数值模仿重要于两方面阐扬要害作用。

其一，支撑巡天计谋的制订。差别巡天方式不雅测到的宇宙存于差异，有的聚焦差别“颜色”，有的偏重差别深度或者示踪天体，而数值模仿能明确不雅测标的目的、预判可不雅测数目，从而晋升巡天效率。

其二，助力体系偏差的研究与校准。宇宙学旌旗灯号具备统计特征，直接不雅测到的旌旗灯号与理论值之间会存于误差。这种误差需经由过程数值模仿要领校准至准确数值，才能真正运用在科研。

*文中图片均为受访者提供