在宇宙的記憶里,有一片徹底的空白。
如果你逆行時(shí)間的長河,恒星會(huì)熄滅,星系會(huì)退潮,物質(zhì)不斷收縮,溫度不斷攀升。直到某一刻,一切戛然而止。數(shù)學(xué)的羽翼折斷,物理的語言失效,世界陷入沉默。科學(xué)家稱之為“奇點(diǎn)”——一個(gè)密度與溫度無限的點(diǎn)。
![]()
在那里,所有法則都失去了意義。
那就是大爆炸的開端,或者說,是我們所能追溯的極限。
廣義相對(duì)論曾經(jīng)是最輝煌的燈塔。它告訴我們,引力并非一股看不見的力,而是時(shí)空的彎曲。它解釋了水星軌道的異常,預(yù)言了黑洞的存在,也讓衛(wèi)星導(dǎo)航如此精準(zhǔn)。
可是在大爆炸的奇點(diǎn)前,這盞燈卻熄滅了。方程式不再工作,推理走到盡頭。
于是宇宙學(xué)家們只能退而求其次,在“路燈下”搜索答案。假設(shè)宇宙在最初就像攪拌均勻的湯,均勻且對(duì)稱。這是個(gè)方便的假設(shè),能讓方程繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),但沒人能保證,那一瞬間的宇宙真是如此。
“你只能在燈下找鑰匙,但鑰匙也許掉在黑暗里。”
倫敦國王學(xué)院的宇宙學(xué)家 Eugene Lim 這樣形容困境。2025 年,他和倫敦瑪麗女王大學(xué)的 Katy Clough 以及牛津大學(xué)的 Josu Aurrekoetxea 合作,在《Living Reviews in Relativity》發(fā)表了論文《Cosmology using numerical relativity》。
這支團(tuán)隊(duì)提出,不要再困守在奇點(diǎn)的禁區(qū),而是把這片黑暗交給超級(jí)計(jì)算機(jī)去探索。他們使用的武器,叫做“數(shù)值相對(duì)論”。
![]()
所謂數(shù)值相對(duì)論,并不是紙筆演算,而是用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法迭代逼近愛因斯坦方程。在極端環(huán)境下,紙上推不動(dòng)的方程,電腦卻能一點(diǎn)點(diǎn)摸索答案。
早在上世紀(jì)六七十年代,科學(xué)家們就嘗試用它來研究黑洞合并。但直到 2005 年,才有人真正成功。這次突破,直接成為 LIGO 探測引力波的理論基石。
正是這一歷史讓 Lim 和同事們相信,數(shù)值相對(duì)論同樣可以指向更遙遠(yuǎn)的謎團(tuán)——大爆炸之前的宇宙。
他們要解決的首個(gè)難題,就是暴脹。暴脹是宇宙早期的一段瘋狂:在極短的時(shí)間里,宇宙驟然膨脹了億萬倍。沒有它,我們無法解釋為什么宇宙如此平滑、為什么星系能穩(wěn)定形成、為什么宇宙微波背景如此均勻。
但暴脹的觸發(fā)機(jī)制,至今沒人知道。更吊詭的是,要研究暴脹,科學(xué)家必須先假設(shè)宇宙本來就是均勻的。可這正是暴脹要解釋的現(xiàn)象,邏輯因此兜成死環(huán)。
![]()
數(shù)值相對(duì)論給了另一種可能。它允許我們不再依賴這些對(duì)稱假設(shè),直接從雜亂、無序甚至怪異的初始條件出發(fā)。然后讓計(jì)算機(jī)推演,在這種混亂里,暴脹是否依舊發(fā)生,宇宙是否依舊能走到今天的模樣。
Lim 希望借此檢驗(yàn)更底層的理論,比如弦理論是否能自然地產(chǎn)生暴脹。換句話說,這是一種把“哲學(xué)假設(shè)”轉(zhuǎn)化為“可計(jì)算實(shí)驗(yàn)”的途徑。
而暴脹只是開始。數(shù)值相對(duì)論還能延伸到更狂野的設(shè)想。
弦理論預(yù)測過宇宙弦——那些可能在時(shí)空中留下的細(xì)長疤痕。如果它們存在,便會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的引力波信號(hào)。數(shù)值相對(duì)論或許能幫我們提前預(yù)測這些信號(hào)的形狀。
多元宇宙的設(shè)想則更驚悚:如果我們的宇宙和鄰居發(fā)生碰撞,會(huì)在天空中留下“淤青”,藏在宇宙微波背景輻射的斑點(diǎn)里。過去沒人能認(rèn)真驗(yàn)證這種可能,而現(xiàn)在,它第一次進(jìn)入了科學(xué)演算的范圍。
還有循環(huán)宇宙的幻想:宇宙不是一錘子買賣,而是經(jīng)歷無數(shù)次輪回。它不斷膨脹,又不斷坍縮,然后再爆炸。大爆炸不過是一次次輪回中的一聲鼓點(diǎn)。
![]()
過去,這只是詩意的想象,因?yàn)樵跇O端引力下,方程失效。但正如 Lim 在接受 FQxI 采訪時(shí)說:“循環(huán)宇宙是極好的例子,因?yàn)樗厝贿M(jìn)入強(qiáng)引力區(qū),無法依賴對(duì)稱性。過去沒人敢研究,現(xiàn)在已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)在做。”
數(shù)值相對(duì)論的代價(jià)極其高昂。每一次模擬都要占據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間。它是一座煉爐,吞噬能量、時(shí)間與算法,只為煉出幾片逼近真相的碎片。
但人類從未懼怕代價(jià)。2005 年我們用它捕捉黑洞,如今我們要用它追問宇宙的前世。
Lim 在論文最后寫道,他們希望這能架起一座橋梁:數(shù)值相對(duì)論專家能走進(jìn)宇宙學(xué),宇宙學(xué)家能借助數(shù)值相對(duì)論,讓那些“不可問”的問題變成可以計(jì)算的方程。
也許在未來的某一天,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),大爆炸并不是一切的開端。它只是劇場的一次幕啟。幕布背后,或許有另一場宇宙在坍縮中死去,而我們的宇宙,只是它灰燼中的重生。
在黑暗深處,那些曾被斥為“不科學(xué)”的問題,終將變成人類最偉大的答案。
(參考:Josu C. Aurrekoetxea et al, Cosmology using numerical relativity,Living Reviews in Relativity(2025).DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z)
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布,本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.