一群宇宙学家正在利用超级计算机的强大功能，突破爱因斯坦方程的局限，探索曾经被认为无法解开的谜团。他们运用数值相对论（能够对极端条件进行模拟的模拟技术），希望发现大爆炸之前宇宙的情形、宇宙是否是重生循环的一部分，甚至我们的宇宙是否曾与另一个宇宙发生碰撞等线索。
模拟无解之谜：大爆炸之前的一条新路径
人们常说，追问大爆炸之前是什么是“不科学”的，甚至是“毫无意义”的。然而，最近发表在《相对论生活评论》（Living Reviews in Relativity）上的一篇论文却提出了不同的观点。该论文由FQxI宇宙学家尤金·林（伦敦国王学院，英国）、天体物理学家凯蒂·克劳夫（伦敦玛丽女王大学，英国）和乔舒亚·奥雷科切亚（牛津大学，英国）撰写，论文提出，复杂的计算机模拟或许能为研究指明方向。
研究人员采用数值方法来近似模拟极端条件下的爱因斯坦引力方程，据此他们认为，宇宙学家或许终于能够研究那些长期以来似乎遥不可及的问题了。这些问题包括大爆炸之前可能发生了什么、是否存在多个宇宙、我们的宇宙是否曾与另一个宇宙发生碰撞，以及现实是否经历了反复的膨胀和收缩循环。
爱因斯坦的广义相对论方程描述了引力如何影响宇宙中物质和能量的行为。然而，当追溯到宇宙最早的时刻时，这些方程便不再适用。此时，方程预测会出现一个奇点，即温度和密度无限高的状态，在此状态下，已知的物理学定律将不再适用。在这种情况下，宇宙学家无法依靠通常的假设来求解方程。在尝试描述其他极端环境（如黑洞中心）时，也会出现同样的问题。
林（Lim）解释说：“你可以在路灯周围搜索，但你不能走到离路灯太远的地方，因为那里太黑了——你无法解决那些方程。”“数值相对论可以让你探索远离路灯的区域。”
路灯之外
数值相对论最早于20世纪60至70年代被提出，用以尝试计算出如果黑洞发生碰撞并合并，将会释放出何种类型的引力波（时空结构中的涟漪）。这是一个极端场景，仅凭纸笔无法解决爱因斯坦的方程——需要复杂的计算机代码和数值近似方法。20世纪80年代提出激光干涉引力波天文台（LIGO）实验时，数值相对论的发展重新获得了人们的关注，尽管直到2005年才用这种方法解决了这个问题，但这让人们看到了希望，认为该方法也可以成功应用于解决其他难题。
尤金·林（Eugene Lim）说：“你可以在路灯周围搜索，但不能离路灯太远，因为太远的地方太暗——你无法解出那些方程。数值相对论可以让你探索远离路灯的区域。”
林（Lim）尤其兴奋的一个长期存在的谜题是宇宙膨胀——宇宙早期的一段极速膨胀期。宇宙膨胀理论最初是用来解释为何宇宙看起来是如今这般模样，该理论认为宇宙起初只是很小的一片区域，后经过拉伸才变成如今在广阔范围内看似相同的模样。“如果没有膨胀，很多事情就说不通了，”林解释道。但虽然膨胀理论有助于解释宇宙如今的状态，但无人能解释出婴儿宇宙为何会有这种突如其来且短暂的急速增长。
问题在于，要使用爱因斯坦的方程来探究这一点，宇宙学家首先必须假设宇宙是均匀且各向同性的——而这本应是膨胀理论所要解释的内容。林（Lim）解释说，如果你假设它一开始处于另一种状态，那么“你就没有对称性来轻松写下你的方程”。
但数值相对论有助于我们避开这个问题，它允许我们设定截然不同的初始条件。然而，这并不是一个简单的难题，因为在暴胀之前，时空可能有无数种状态。因此，林（Lim）希望利用数值相对论来检验那些更基础的理论（如弦理论）对暴胀做出的预测。
宇宙弦，碰撞的宇宙
还有其他令人兴奋的前景。物理学家可以利用数值相对论来计算出一种假设的物体——宇宙弦（时空中的长而细的“疤痕”）——可能产生什么样的引力波，这可能有助于证实宇宙弦的存在。他们也许还能够预测出我们的宇宙与邻近宇宙（如果它们存在的话）碰撞后，在天空上留下的印记或“淤青”，这有助于我们验证多元宇宙理论。
令人兴奋的是，数值相对论或许还能揭示大爆炸之前是否存在一个宇宙。也许宇宙是循环的，会从一个旧宇宙“反弹”到一个新宇宙，经历不断的重生、大爆炸和大挤压。用分析法解决这个问题非常困难。林（Lim）说：“反弹宇宙就是一个很好的例子，因为当它们达到强引力状态时，你就无法依赖对称性了。目前已有几个团队正在研究反弹宇宙，而以前是没有的。”
数值相对论模拟如此复杂，以至于需要超级计算机来运行。随着这些机器的技术改进，我们对宇宙的理解可能会有显著提升。林（Lim）希望团队的新论文（概述了数值相对论的方法和益处）最终能帮助不同领域的研究人员迅速掌握相关知识。
林（Lim）说：“我们希望真正发展宇宙学和数值相对论之间的重叠部分，这样，对利用自身技术探索宇宙学问题感兴趣的数值相对论学家就可以放手去做了。”他补充道：“对解决一些自身无法解答的问题感兴趣的宇宙学家可以利用数值相对论。”
参考文献：《利用数值相对论的宇宙学》，作者：Josu C. Aurrekoetxea、Katy Clough、Eugene A. Lim，2025年6月23日，发表于《相对论活体评论》（Living Reviews in Relativity）。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1007/s41114-025-00058-z
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