18天 ，天万4.2万亿个粒子，亿个宇宙中国科学家模仿出了一个宇宙

 

文｜《中国科学报》记者孙滔

1941年，粒中瑞典地舆学家埃里克·霍姆伯格（Erik Holmberg）完成了一项“脑洞除夜开”的国科考验考验。

这位地舆学家意想到，模仿引力和光的旧事亮度都与距离成平梗直比相干 ，那么便可以用灯胆的科学亮度来类比引力感染强度 。他用74个灯胆和光电池，天万“手搓”出世避全国上第一台“引力模仿筹算机”，亿个宇宙让人类在85年前就“看见”了星系碰撞 。粒中

这是国科人类汗青上最早的“模仿宇宙”考验考验，那是模仿一个没有电子筹算机的年代。

离开超算时代，旧事人们又可以阐扬新的科学想象力。就在2026年4月23日，天万中国科学院国度地舆台宣布宇宙学模仿项目“千衍”。由中国科学家领衔的国际团队用4.2万亿个虚构粒子，在超等筹算机上延续运转18天，模仿出一个边长约120亿光年的立方体宇宙 ，包含了畴昔百亿年汗青的宇宙除夜标准筹划的演变 。

更惊人的是，他们没有决计“筹划”，却在数字全国里天然演变出宇宙中最极端、最宏壮的星系团——潘多拉星系团（Abell 2744）。

埃里克·霍姆伯格的“手搓引力模仿筹算机”剖面图源自其1941年论文

模仿宇宙

人们能不美不美不雅察星空，却不克不及拿宇宙做几回考验考验，是以地舆学家想到逐浅近例：用筹算机模仿一个宇宙。

模仿宇宙的决意性主导实力是引力，宇宙筹划纷纷宏壮但并不是无缺随机地出现。在地舆学家看来，宇宙有一种宿命感 ，只需最初统计上切确地设置了初始前提 ，引力就会让筹划自可是然地出现出来
。

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）初度经由过程筹算机模仿的编制研究了宇宙除夜标准筹划的外形及其演变规律 。他用1500多个虚构粒子 ，在膨胀的布景时空中初度证了然引力不晃荡功用构成宇宙除夜标准筹划，开启了数十年的数值宇宙学时代 。

跟着筹算机技能和算力的灵敏汲引，模仿宇宙进进了除夜局限的数值模仿时代，粒子数抵达了万亿的量级。加上巡世界场带来的海量不美不美不雅察数据 ，宇宙学幻想模型愈加切确。

中国科学家此次主导的“千衍”模仿，是当今全球局限最除夜的超高精度宇宙学模仿之一
。

他们要验证现代宇宙学的标准模型——ΛCDM模型
。个中，希腊字母Λ代表宇宙常数或暗能量，CDM代表由质量除夜、行动迟缓的粒子构成的冷暗物质。

之所以要用虚构暗物质粒子，是因为在ΛCDM模型中，暗物质才是宇宙的“副角” ，是宇宙筹划的引力骨架
，主导着星系团构成 。同时，暗物质仅受引力感染，是以其N体模仿的物理过程最为复杂。

“千衍”模仿终局图

复现潘多拉星系团

为甚么潘多拉星系团在这个研究中如斯次要？假定把人们不美不美不雅察到的宇宙比作一片艰深的超等渔场，那么潘多拉星系团就是个中最罕有、最狂野的一头“深海巨兽”。它跨距30亿光年的空间
，包含了多个各自自力的星系团 ，因其过于重除夜 、筹划过于宏壮
 ，一度被思疑可否可以在标准模仿中自洽地产生发火出来
。

假定能复现潘多拉星系团 ，那也就意味着 ，ΛCDM模型即便在最极端的前提下 ，还是可以创建。

研究者独霸了4.2万亿个虚构暗物质粒子。每个粒子除夜约代表3亿个太阳的质量 ，这就意味着更高的分辨率和愈加刚毅的统计筹算下场
，从而可以看清星系团内部细节
，罕有天体也不再是有时的“偶合”
。

图左为“千衍”模仿的潘多拉星系团
，图右为不美不美视不雅不雅察到的潘多拉星系团

他们构建了一个边长约120亿光年的宏除夜空间，只需充分除夜的空间 ，才调产生发火充分多的星系团。在引力感染下，这些粒子彼此牵引并交错成网状筹划。

为甚么要选择4.2万亿这个数字 ？中国科学院国度地舆台副研究员李明诠释道 ，这并不是盲目寻求局限 ，而是一场“均衡的艺术”。粒子越多，模仿的细节越精准，但破钞的算力和电费也越惊人。研究团队在科学方针 、工程成本与现有超算极限之间
，找到了这个最优的均衡点 。

中国科学家幻想下场遴选出851个红移与潘多拉星系团高度邻近的宇宙筹划  ，代表这些筹划处于不合宇宙演变时代；个中有一个星系团的模仿构型 ，与詹姆斯·韦布空间看远镜对潘多拉星系团的不美不美不雅察下场高度契合。

ΛCDM 标准宇宙模型遭受住了考验  。这就意味着 ，从宇宙除夜标准到星系团，再到星系级别 ，人类的物理认知掉落踪掉落踪了验证。

巨量筹算的平台

筹算4.2万亿个粒子的行动，尽非易事，但也不像科幻小说中的三体问题那样几近不成解。

科学家并没有往筹算粒子两两之间的引力，而是采取愈加精细的筹划，比如将除夜标准的筹算与小标准的筹算豆割隔来
，再独霸优化的编制加快部分细节 ，末尾交由超算中的GPU完成高强度筹算 。

真实的挑衅还是在于筹算局限本身。

该模仿依托中国科学院筹算机群集信息中心“东方”超等筹算机运转，独霸了由国度地舆台团队自立斥地的软件PhotoNs。这项筹算需求4000个节点在18天内延续协同运转 ，对同步性和晃荡性的请求极高 。介入筹算的近1.6万张显卡  、上切切筹算单位
，必须在不合节拍下鞭挞；一旦某个节点展示特别很是，便大年夜大年夜约影响集团筹算过程 。

中国科学院国度地舆台研究员王乔引见
 ：“18天中心运转 ，尽非‘挂着等下场’
，而是一个需求延续监控和干与干与的过程。”研究人员需务及时跟踪琐细外形，确保这项万亿粒子级此外筹算不中缀 。

为了这18天的岑岭冲刺，研究团队在幕掉落踪队行了长达10年的算法调优与软件适配。

“千衍”的首篇学术论文在英国《皇家地舆学会月刊》宣布。王乔和李明恰是该文的通信作者。王乔说 ：“这不是一个创外型主导的研究，而是打造了一个数据平台和基座，模仿数据将为中国空间站巡天看远镜（CSST） 、欧洲空间局欧几里得空间看远镜（Euclid）等除夜型巡天项目供给次要的科学支撑 。”

要晓得，宇宙之浩大年夜 ，使得人类的巡天不美不美不雅察似乎在无垠漆黑中试图用一把特制的尺子测量星系的分布。当科学家经由过程除夜型巡天项目绘制史上最宏壮的“宇宙三维地图”时 ，一个本质挑衅随之而来：我们难以剖断手中的“尺子”可否变形，视野可否已被曲解，甚至不晓得宇宙本身的"标准尺码"是若干很多若干良多若干很多若干良多若干很多若干。

措置之道湮没在超算的算力傍边，经由过程从零最早“培养”出的虚构宇宙，研究者可以预演各类物理情境 ，并将其与真实不美不美不雅察数据举办对标。

王乔进一步诠释，数值模仿次要在两方面阐扬关头感染。

其一
，支撑巡天计策的制订。不合巡天编制不美不美不雅察到的宇宙存在不合 ，有的聚焦不合“色彩”，有的侧重不合深度或示踪天体 ，而数值模仿能了了不美不美不雅察标的方针 、预判可不美不美不雅察数量 ，从而汲引巡天屈就。

其二，助力琐细偏向的研究与校准
。宇宙学旗子记号具有统计特点，直接不美不美不雅察到的旗子记号与幻想值之间会存在偏向。这类偏向需经由过程数值模仿编制校准至切确数值，才调真正独霸于科研
。

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