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人造宇宙:不能養在培養皿,就打造虛擬複製品吧!—《BBC知識》

  • 文/柯林‧史都華(Colin Stuart)
  • 譯者/戴凡惟
解開宇宙之謎是一項棘手的任務,畢竟我們不能把行星放在培養皿裡觀察。圖 / BBC 知識國際中文版提供

解開宇宙之謎是一項棘手的任務,畢竟我們不能把行星放在培養皿裡觀察。圖 / BBC 知識國際中文版提供

解開宇宙之謎是一項棘手的任務,畢竟我們不能把行星放在培養皿裡觀察。

不過, 有個電腦模擬出來的新宇宙,據說將為天文學帶來革命性進展⋯⋯

在所有科學領域中,天文學顯得獨樹一格,因為它是研究遠處之外的事物。地質學家可以到野外實地考察,甚至採集岩石帶回實驗室分析;生物學家、古生物學家和化學家也差不多,他們都非常仰賴實際操作。但如果你有興趣的領域是星系,想要了解它們如何演進並塑造現今的宇宙結構,能做些什麼?你既無法把星系搬回地球細細觀察,望遠鏡提供的也只是為期短暫的靜態星系圖像而已。一群任職於英國杜倫與荷蘭萊登的科學家想出的解決方法是:用超級電腦打造宇宙的複製品

他們的心血結晶是名為「星系與周遭環境的演化與形成」(EAGLE)研究計畫。這個虛擬的宇宙實境是一個邊長超過三億光年的巨大立方體,足以容納一萬個銀河系大小的星系。

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EAGLE 模擬恆星在星系中的位置分布圖。圖 / BBC 知識國際中文版

為了建構虛擬宇宙,研究團隊必須回溯到第一批星系、甚至第一批恆星形成之前的時間點;此刻主要由三個因子主宰宇宙演化:暗物質正常物質(又稱重子物質)與暗能量。暗物質猶如不可見的骨架,宇宙的結構便是沿著這些骨架發展;暗物質濃密之處猶如重力產生的小窪坑,隨著宇宙年齡漸增,越來越多正常物質受到吸引而匯聚其中;這些聚集的正常物質形成恆星,恆星又聚集起來成為星系。至於暗能量則是一種不可見的力,在大尺度上對抗暗物質的重力坍縮效應。

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EAGLE 模擬宇宙裡的氣體,紅色的溫度最高,藍色的溫度最低。圖 / BBC 知識國際中文版提供

團隊曾用電腦模擬這些因子如何交互影響而形成恆星,結果差強人意。「以前的模擬容易產生過大的星系,導致宇宙裡有太多恆星。」杜倫大學的 EAGLE 成員理察‧鮑爾教授(Richard Bower)說。有鑑於此,光是採用三個關鍵因子的最新觀測數據(例如由歐洲太空總署的普朗克衛星所測得的)還不夠,EAGLE 還得納入星系怎麼從初生演化成熟的最新概念

首先得建立模型,描述超新星爆發與黑洞吞噬物質如何影響所在星系的結構發展。鮑爾及其團隊花了三年將這些因子轉換成適切的程式碼。費時的工作不止於此,從 DiRAC-II 超級電腦開始執行這些程式碼到產生虛擬宇宙,運算時間足足超過一個半月。幸好計算結果不同凡響。「EAGLE 模擬出來的星系與真實星系的相似程度令人難以置信。」鮑爾說,「在我發表演講時,聽眾花了五分鐘才搞懂他們看的是模擬影像,而非真實照片。」

「EAGLE 所模擬的星系與真實星系的相似度高到不可思議。」─ 鮑爾教授,EAGLE 團隊成員

DiRAC-II 超級電腦

EAGLE 模擬研究仰賴超級電腦 DiRAC-II 提供強大的運算能力。圖 / BBC 知識國際中文版提供

EAGLE 模擬研究仰賴超級電腦 DiRAC-II 提供強大的運算能力。圖 / BBC 知識國際中文版提供

  • 5.13 億台幣,DiRAC-II 超級電腦的原始造價,2012 年再度耗資 6.26 億進行升級。
  • 4,000 個核心處理器,需運算一個半月以上才能建立虛擬宇宙。
  • 53,760 GB 隨機處理記憶體(RAM)。
  • 2.4 PB 儲存容量,是製作《阿凡達》時所需容量的兩倍以上。
  • 第 12 名,2012 年英國超級電腦運算力排行榜上的排名。

恆星系統

電腦精確的模擬能力是研究真實宇宙的強大工具。你可以選定任一星系,點擊鮑爾所謂的「紅色大按鈕」回到過去,從星系形成之初開始,觀察它如何演變成今日的樣貌,倘若星系演化理論與 EAGLE 模擬出來的不符現況就刪除。EAGLE 也能協助破解謎團,因為天文學家用望遠鏡觀察遙遠恆星的同時也在眺望過去,他們所看到的是耗時數十億年穿越太空而來的光,承載著發光星體當時的樣貌資訊。我們確信宇宙早期有許多緻密的紅色星系,不過這些紅色星系似乎隨著宇宙演進而消失,再也見不到它們的蹤影;現在 EAGLE 的模擬結果也顯現這段過程。與望遠鏡不同之處在於,天文學家可以透過 EAGLE 將時光倒轉,並且全神貫注在這些星系上,觀察它們如何演變。

結果顯示,在大多數情況下,這些小型紅色星系會併入比它們大上許多的星系。「EAGLE 告訴我們無法用其他方式得知的重大宇宙訊息。」鮑爾說。

這個模擬也為解開星系內,恆星誕生速率之謎帶來一線曙光。

天文學家發現,比銀河系大的星系裡很少形成新的恆星;比銀河系小的星系,其新恆星形成的速率卻相當快。天文學家一直懷疑這和星系中心黑洞有關:星系越大,黑洞增長的速率越快,因而無法維持恆星形成速率;較小型星系的中心黑洞成長較為緩慢,讓恆星有足夠的形成時間。但目前尚不清楚為什麼大型星系的黑洞成長較快。如今透過 EAGLE 的模擬,研究人員可以看出一些端倪。大型星系具有大量物質,中心附近的氣體難以向外流出;而有了氣體提供豐富的「食材」,中心黑洞因此源源不絕地吸入物質,「恆星形成於是停頓下來。」鮑爾說,「了解這個過程使我們向前邁進一大步。」

在透過電腦模擬回到過去並獲得一些寶貴知識之後,研究團隊接下來打算把目標轉向未來,用 EAGLE 預測宇宙將會如何演變。不過這項任務遠比回到過去更加棘手,要了解箇中原委,首先得回到宇宙演化的關鍵因子:「暗物質」與「暗能量」。

當宇宙擴張,星系逐漸彼此遠離,暗物質產生的重力對整體而言遂減弱。然而在整個宇宙發展史上,暗能量的強度一直維持不變;也就是說,暗物質產生的引力終有一天會變得比暗能量的斥力還弱,至此之後宇宙便開始加速擴張。使用 EAGLE 模擬未來的困難之處就在於這樣的加速擴張現象。

「暗能量效應會增加超級電腦的運算時間。」─ 鮑爾教授,EAGLE 團隊成員

虛擬宇宙和真實宇宙一樣,裡頭的暗物質(左上)遠多於正常可見物質(右下)。圖 / BBC 知識國際中文版提供

虛擬宇宙和真實宇宙一樣,裡頭的暗物質(左上)遠多於正常可見物質(右下)。圖 / BBC 知識國際中文版提供

「暗能量的效應會增加運算時間。」鮑爾說,這樣會讓研究計畫貴到幾乎無法執行。

然而,鮑爾與同事滿懷希望尋求解決方法,他們已經和美國電腦晶片製造商英特爾(Intel)合作,將下個世代處理器的設計架構與研究整合;如果研究團隊能將新晶片的運算效能發揮到極致,可使運算速度增加十倍之多。鮑爾的團隊也期待升級超級電腦,更進一步提升運算效能。如此一來他們就能將模擬尺度從目前的一萬個銀河系大小的星系擴增到三萬個。有了更多的星系,他們就能著手進行嚴謹的統計分析,釐清像銀河系這樣的星系究竟有多普遍。

瘋狂的計畫

除此之外鮑爾還想做更多,提出了一個自詡為「瘋狂的計畫」,他想用 EAGLE 來檢驗我們的宇宙究竟有多獨特。多年來,天文學家一直碰上無法解決的「微調問題」(fine-tuning problem),如果你仔細觀察宇宙的一些基本常數,例如重力強度、暗能量的比例多寡等等,似乎都十分詭異地剛好彼此平衡。假設暗能量多了一些,宇宙會更早開始加速擴張,使得正常物質沒有機會受暗物質吸引,而無法集中形成恆星與星系。究竟宇宙參數怎麼會剛好是現在這樣,形成一個容納生命存在的宇宙?

解答之一,我們的宇宙並不是唯一。如果還有別的宇宙,而且每個宇宙的參數大小都不太一樣,當然會發現自己的宇宙有著恰到好處的恆星、星系、行星及人類組成,我們幾乎不可能住在一個參數設定錯誤的宇宙裡。鮑爾希望運用EAGLE 釐清初始條件的變動是如何影響宇宙的面貌,並再度為「我們從何而來」提供洞見。

從許多方面來看,EAGLE 計畫的成功象徵一道分水嶺。對天文學家而言,望遠鏡將不再是天文觀測的唯一愛將,超級電腦的地位逐漸攀升中。


你想知道更多,那麼我們就繼續說下去……

EAGLE 研究計畫

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EAGLE 模擬最大尺度的宇宙結構。圖 / BBC 知識國際中文版提供

圖片是 EAGLE 模擬最大尺度的宇宙結構。圖中可見正常物質構成的觸鬚狀細絲,沿著不可見的暗物質骨架延伸出去。當宇宙年歲漸增,正常物質受重力吸引,逐漸往暗物質集中,然後形成恆星,最終成為星系。

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模擬結果產生各種型態的星系,不只銀河系這類螺旋星系而已。圖 / BBC 知識國際中文版

模擬結果產生各種型態的星系,不只銀河系這類螺旋星系而已。天文學家依照「哈柏音叉圖」將星系分類,如下圖所示,橢圓星系位於左邊,透鏡星系在中間,螺旋星系則位於右邊。EAGLE 的模擬結果也符合這種模式。

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EAGLE 模擬總共包含了一萬個與銀河系類似的星系,涵蓋邊長三億光年的立體空間。圖 / BBC 知識國際中文版提供

EAGLE 模擬總共包含了一萬個與銀河系類似的星系,涵蓋邊長三億光年的立體空間。左下邊大圖是其中一個星系的美麗圖案,具有年老黃色恆星構成的明亮中心,以及由年輕藍色恆星標示、彎曲延伸的塵埃帶。小圖是電腦繪製的銀河系想像圖。

我們活在虛擬宇宙嗎?

1998 年的電影《楚門的世界》(The Truman Show)裡,影星金.凱瑞(Jim Carrey)飾演的楚門.布班(Truman Burbank),住在一個為了實境秀節目而造的虛構小鎮。主角覺得自己擁有真實人生,但他的家庭和朋友其實都是演員,甚至連天氣都是由節目製作人所控制。最終他揭穿這場騙局,駕船試圖朝向他以為的茫茫大海逃脫時,卻在海中碰上一堵牆。多年來,許多科學家曾經懷疑我們是否處於類似的情境,或許我們生活在一個更高等文明所建立的虛擬宇宙裡。

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1998 年的電影《楚門的世界》,許多科學家曾經懷疑我們是否處於類似的情境,或許我們生活在一個更高等文明所建立的虛擬宇宙裡。圖 / BBC 知識國際中文版提供

要將這個想法斥為無稽之談很簡單,但它其實沒有乍聽之下那麼離譜。它能一舉解決微調問題,並解釋為什麼我們的宇宙簡直是為了生命的存在而量身訂作:因為就是有人刻意這麼設計的。史蒂芬.巴克斯特(Stephen Baxter)在 2001 年發表了一篇論文,詳述他所謂的「星象館假說」(Planetarium Hypothesis),主張我們的一切可能是個巨大模擬,包括所見的宇宙在內;他更進一步說明,一個極為先進的文明有能力建立直徑為地日距離 100 倍的虛擬宇宙。

自巴克斯特的論文發表以來,航海家 1 號太空船已經航行超過這個範圍,雖然並未像楚門那樣撞上一道牆,但仍然無法排除人們住在不完美虛擬宇宙裡的可能性。如果這個模擬並不完美,或許有一天我們會揭發它。由賽拉斯.比恩(Silas Beane)領軍的研究團隊在 2012 年發表了一篇名為〈宇宙若為數值模擬的約束條件〉(Constrains on Universe as A Numerical Simulation)之論文,指出「原則上,被模擬者永遠有機會發現模擬者。」比恩與同事甚至提議,或許可以透過觀測宇宙射線(相當於電影《駭客任務》(Matrix)中「來自母體的數據錯誤」之天文版)來找出虛擬宇宙的邊界。

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NASA 的航海家1號探測船在 2012 年進入星際太空,繼續它未完的旅程。圖 / BBC 知識國際中文版提供


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本文摘自《BBC 知識國際中文版》第 62 期(2016 年 10 月號)。

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