IT 之家 8 月 25 日消息，“大爆炸之前是什么？”這一問題曾被視為“不科學”甚至“毫無意義”。不過，近期發(fā)表在《Living Reviews in Relativity》上的一項研究帶來了新視角。由倫敦國王學院的宇宙學家尤金?林（Eugene Lim）、倫敦瑪麗女王大學的天體物理學家凱蒂?克勞（Katy Clough）以及牛津大學的喬蘇?奧雷科埃特克斯（Josu Aurrekoetxea）組成的團隊，正借助超級計算機，嘗試突破愛因斯坦方程的極限，探索曾被認為無解的宇宙之謎。

據 IT 之家了解，愛因斯坦的廣義相對論方程描述了引力對宇宙中物質和能量行為的塑造。但追溯到宇宙最初時刻，這些方程便會失效。那時，方程預測會出現奇點，即溫度和密度無限大的狀態(tài)，已知物理定律不再適用。這種情況下，宇宙學家無法依靠常規(guī)假設求解方程。類似問題在描述黑洞中心等極端環(huán)境時也會出現。

尤金?林解釋道：“你只能在路燈周圍尋找，無法遠離路燈，因為遠處一片漆黑，根本解不出那些方程。而數值相對論能讓你探索路燈之外的區(qū)域?！睌抵迪鄬φ撚?20 世紀 60 至 70 年代被提出，旨在解決黑洞碰撞和合并時發(fā)出何種引力波（時空結構中的漣漪）的問題。這是極端情況，僅靠紙筆無法求解愛因斯坦方程，還需復雜的計算機代碼和數值近似。20 世紀 80 年代提出激光干涉引力波天文臺（LIGO）實驗后，該領域發(fā)展再度受關注，雖直到 2005 年才解決相關問題，但人們希望該方法能用于解決其他難題。

宇宙暴脹是早期宇宙的快速膨脹時期，最初提出是為解釋宇宙如今的樣子，它將最初的一小塊區(qū)域拉伸，使宇宙在廣闊空間中看起來相似。林指出：“若沒有暴脹，很多現象都無法解釋?！比欢?，盡管暴脹有助于解釋當前宇宙狀態(tài)，但沒人能解釋嬰兒宇宙為何會突然且短暫地快速增長。

問題在于，用愛因斯坦方程探究此問題時，宇宙學家需假設宇宙最初均勻且各向同性，而這正是暴脹理論試圖解釋的內容。林解釋說，若假設其最初處于其他狀態(tài)，“就沒有對稱性來輕松寫出方程”。

但數值相對論可解決該問題，它允許采用不同的初始條件。不過，這并非易事，因為暴脹之前，時空可能有無數種形態(tài)。因此，林希望用數值相對論檢驗源自更基礎的暴脹理論（如弦理論）的預測。

還有其他令人期待的前景。物理學家可用數值相對論研究假設中的宇宙弦（時空中長長的、細薄的“疤痕”）會發(fā)出何種引力波，這或許能證實其存在。他們還可能預測我們的宇宙與相鄰宇宙（若存在）碰撞在天空留下的特征或“痕跡”，這有助于驗證多元宇宙理論。

令人振奮的是，數值相對論有望揭示大爆炸之前是否存在宇宙。也許宇宙是循環(huán)的，經歷從舊宇宙到新宇宙的“反彈”，不斷重生、經歷大爆炸和大擠壓。這很難用解析方法解決。林說：“反彈宇宙是很好的例子，因為它們處于強引力區(qū)域，無法依賴對稱性。已有幾個團隊在研究，過去可沒有。”

數值相對論模擬極其復雜，需超級計算機運行。隨著這些機器技術進步，我們對宇宙的理解有望取得重大突破。林希望團隊的新論文，概述數值相對論的方法和益處，能幫助不同領域的研究人員跟上研究進度。

林表示：“我們希望切實拓展宇宙學與數值相對論之間的交叉領域，讓對探索宇宙學問題感興趣的數值相對論者能開展研究，也讓對解決難題感興趣的宇宙學家能利用數值相對論?！?/p>

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