有史以来最大的宇宙模拟

想象一下，有人要求你解决一个复杂的代数问题，其中大约 95% 是变量，只有 5% 是已知值。这也许只是个粗略的比喻，但它相当准确地描绘了现代宇宙学家面临的任务。主流观点认为，宇宙主要由暗物质和暗能量组成，这两种神秘的实体从未被直接观察或测量过，尽管宇宙数学坚持认为它们是真实的。我们可以看到它们感知到的效果，但我们不能直接看到它们——因此我们看不到我们自己宇宙的真实结构。

于是我们开始制作模型。下个月的某个时候，全球第三快的超级计算机 Mira 将完成对其新升级软件的测试，并开始运行阿贡国家实验室有史以来规模最大的宇宙学模拟。这些模拟规模庞大，从最新一代高保真巡天中收集了大量数据，并将其处理成比以往更大、分辨率更高、统计更准确的宇宙模型。完成后，科学家们应该会得到一些令人惊叹的高质量可视化图像，展示所谓的“宇宙网”，它将我们所理解的宇宙连接起来。他们将拥有宇宙学家所见过的最好的宇宙统计模型。

这很酷，但是我们为什么需要这样做呢？

我们这样做的主要目的是将最新一批巡天数据转化为有意义的东西。科学家希望这些模型能够解答一些关于暗物质、暗能量和宇宙整体结构的迫切问题。关于暗能量的问题尤其令人困扰，据称暗能量正在推动宇宙的加速膨胀，而事实上，这几乎就是我们对它的全部了解。

“‘暗能量’只是‘我们不知道发生了什么’的技术简写。”阿贡国家实验室物理学家、阿贡国家实验室千万亿次浮点计算天空模拟首席研究员萨尔曼·哈比卜说：“暗能量令人困惑，因为宇宙不仅在膨胀——我们已经知道这一点——而且这种膨胀还在加速，这是非常出乎意料的。”“这种加速的原因是人们所说的‘暗能量’，但这只是‘我们不知道发生了什么’的技术简写。”

这些模拟旨在阐明我们周围正在发生的膨胀。但同样重要的是，它们旨在定义到底发生了什么。关于暗能量有很多理论；它可能是宇宙中一种我们尚未发现的新场，或者是我们尚未理解的大尺度引力特征。它可能是一些我们尚未想到的广义相对论的变种。最新的高分辨率巡天数据应该可以让阿贡团队模拟暗能量对宇宙的非常微妙的影响，从而更深入地了解暗能量本身的性质。这反过来应该有助于宇宙学家排除可能的解释——甚至是整个类别的解释——因为他们试图找到一个更完美的宇宙运作理论。

但宇宙是无限的。如何模拟整个宇宙？

我们不会，因为我们做不到。我们无法真正为这些目的定义宇宙的极限，而计算机模型本质上需要一系列约束。但是，由于计算能力的不断提高和越来越好的天文调查，我们可以模拟越来越大的宇宙，并且从这些越来越大、分辨率越来越高的模拟中，我们可以推断出更大的宇宙。这很重要。

阿贡国家实验室的另一位研究员、Mira 模拟项目的哈比卜的联合研究员卡特琳·海特曼 (Katrin Heitmann) 表示，类似 Mira 上运行的模拟以前也曾运行过，“但我们现在进入了一个必须越来越精确的阶段。”下一代数据来自天文学家有史以来最精密的巡天仪器——例如上个月首次亮相的暗能量相机——将包含更多数据（反映数十亿个观测星系）和更少的固有统计误差。因此，尽管之前的模拟（如表达精美的千年模拟项目）已经产生了出色的可视化效果和宇宙物质分布模型，但这些新的、更好的数据集需要一个新的、更好的计算架构来处理它们。

我们可以构建架构来处理这些新数据集，这在很大程度上要归功于摩尔定律。每隔三年左右，超级计算机的整体计算能力就会增加大约十倍。这使得像阿贡这样的超级计算中心能够构建机器（或升级旧机器），这些机器的性能远远超过一两年前该领域的最前沿。10 千万亿次浮点运算（即每秒进行一千万亿次计算）的 Mira 系统就是这样一个例子，正是 Mira 使阿贡能够运行有史以来最大的暗物质模拟。

这些模拟将会是什么样子？

从视觉上看，它们看起来是这样的：

这种可视化效果来自对新计算架构 HACC（硬件/混合加速宇宙学代码，稍后会详细介绍）的一些初步测试。根据从各种巡天来源收集的数据，您所看到的本质上是宇宙的 3D 块以及物质在其中的分布方式。

“你看到的是宇宙之网，”哈比卜说。“你可以清楚地看到这些大空洞、细丝和团块。你实际上看到的是物质密度。团块状部分是密度最高的地方，星系就在那里。”你实际上看不到星系——这是一种表象，而不是真正的光学模型。在最小的团块中可能根本没有星系。在中等大小的团块中，可能有一个或多个星系。最大的团块代表星系团，其中可能有数千个星系。

这是我们目前看到的宇宙的静止画面，但 Mira 计划进行的模拟将构建出更像电影的宇宙，可以追溯到数十亿年前，那时的宇宙密度比现在大得多——大约是现在的百万倍。天文学家可以非常详细地观看这部电影，了解宇宙随着时间的推移是如何发展的，从而观察暗物质，尤其是暗能量在形成我们现在的宇宙中所起的作用。而且，由于它是一个计算机模型，他们可以随意使用这个虚拟宇宙的参数来测试他们的理论。希望 Mira 能证明一些理论仍然站得住脚。至少，它应该能证明一些理论不太可能成立。

所以如果每个 SIM 都比上一个更大更好，那么这个 SIM 有什么特别之处呢？

首先，它具有前所未有的分辨率和细节，我们在上面已经详细描述过。但就超级计算机建模的未来而言，HACC 架构也极其重要。HACC 是为这个项目从头开发的，并且针对 Mira 进行了优化。但它的设计也使其能够针对其他超级计算机和其他超级计算机应用程序进行优化，这对于这种软件来说非常罕见。

为什么？因为每台超级计算机的设计都略有不同，每台超级计算机都有自己的怪癖和特性。例如，与为台式计算机编写的程序不同，为超级计算机编写的软件通常是为它将要使用的特定机器编写的。如果转移到另一台机器上，它将无法发挥最佳性能（或根本无法发挥）。因此，每次超级计算机跨越一代，正在进行的研究项目都必须为新机器编写新软件。“在十年的代码开发过程中，你可能会有三种不同的计算架构来来去去，”哈比卜说。“这就是 HACC 的魔力。”

HACC 与其说是魔法，不如说是智能设计。它的模块化结构意味着部分底层软件在所有机器上都以相同的方式运行，因此将其从一台机器（或一代机器）移植到另一台机器上要容易得多。另一部分是可插拔的软件模块，可以针对每台特定机器进行优化。这大大减少了研究人员在推动研究之前等待新代码开发的时间。当一台新电脑上线时，比如橡树岭国家实验室全新的 20 千万亿次浮点运算 Titan，研究人员可以相对简单地快速将计算能力的飞跃应用于他们的研究。

可定制、可优化的特性还意味着 HACC 可应用于许多研究项目，而不仅仅是最初设计的项目。它的创造者希望 HACC 能够被破解。“我们是一个小团队，所以我们自己无法真正开发出这段代码的所有科学功能，我们也不一定想这样做，”哈比卜谈到 HACC 时说道，并补充道，“这是一种其他团队需要编写的代码，不仅用于宇宙学，还用于其他应用。”哈比卜、海特曼和他们的同事将 HACC 视为一种社区资源——不仅是因为他们计划与科学界免费分享他们的宇宙学成果，而且因为软件本身可以进行修改并适应其他领域的任意数量的建模应用。

那么这些模拟能解开黑暗宇宙的奥秘吗？

不会。或者至少这种可能性非常非常小。但它将影响一些现有的理论，将其他理论扔进垃圾堆，并将当前的思路和未来的质疑集中在这些神秘的力量上。而且，这些模拟将帮助研究人员继续改进他们使用的工具，以利用超级计算能力的持续爆炸式增长来获得有意义的科学成果。如果 Mira 在未来几个月内解开了暗能量之谜，我们会感到惊讶。如果它不能显著推动理论宇宙学领域的发展，我们也会同样感到惊讶。如果 HACC 不能帮助加速整个超级计算机科学的发展速度，我们也会同样震惊。

更正：本文早期版本错误地指出 Salman Habib 和 Katrin Heitmann 是洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员。他们目前受雇于阿贡国家实验室。本文已修改以反映此情况。