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IT之家 8 月 25 日消息，“大爆炸之前是什么？”這個問題曾被認為“不科學”甚至“毫無意義”。然而，最近發表在《Living Reviews in Relativity》上的一項研究提出了新的視角。來自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，正在借助超級計算機的力量，試圖突破愛因斯坦方程的極限，探索那些曾被認為無法解決的宇宙之謎。

據IT之家了解，愛因斯坦的廣義相對論方程描述了引力如何塑造宇宙中物質和能量的行為。然而，當追溯到宇宙的最初時刻時，這些方程就會失效。在那一刻，方程預測會出現一個奇點 —— 一個溫度和密度無限大的狀態，已知的物理定律不再適用。在這種情況下，宇宙學家不能依靠他們通常的假設來求解方程。同樣的問題也出現在描述其他極端環境時，例如黑洞的中心。

尤金?林解釋說：“你可以在路燈周圍尋找，但不能遠離路燈，因為遠處一片漆黑 —— 你就是解不出那些方程。數值相對論讓你能夠探索路燈之外的區域。”數值相對論最早在 20 世紀 60 年代和 70 年代被提出，試圖解決黑洞碰撞和合并時會發出何種引力波（時空結構中的漣漪）的問題。這是一種極端情況，僅靠紙筆無法求解愛因斯坦方程，還需要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，該領域的發展重新受到關注，盡管直到 2005 年才通過這種方法解決了相關問題，這讓人們希望該方法也能成功應用于其他難題。

宇宙暴脹是早期宇宙中一個極為快速的膨脹時期，最初被提出是為了解釋宇宙為何呈現出如今的樣貌 —— 將最初的一小塊區域拉伸開來，使宇宙在廣袤的空間中看起來相似。林指出：“如果沒有暴脹，很多事情都無法解釋。”然而，盡管暴脹有助于解釋今天的宇宙狀態，但沒有人能夠解釋嬰兒宇宙為何會有這種突然而短暫的快速增長。

問題在于，要使用愛因斯坦方程來探究這一點，宇宙學家必須假設宇宙最初是均勻且各向同性的 —— 而這正是暴脹理論試圖解釋的東西。如果你假設它最初處于另一種狀態，那么“你就沒有對稱性來輕松寫出你的方程”，林解釋道。

但數值相對論可以幫助我們解決這個問題，允許采用截然不同的初始條件。不過，這并非一個容易解決的難題，因為在暴脹之前，時空可能存在無數種形態。因此，林希望利用數值相對論來檢驗源自更基礎的暴脹理論（如弦理論）的預測。

還有其他令人興奮的前景。物理學家可以利用數值相對論來嘗試弄清楚假設中的宇宙弦（時空中長長的、細薄的“疤痕”）會發出何種引力波，這或許有助于證實它們的存在。他們或許還能預測我們的宇宙與相鄰宇宙（如果這些宇宙存在的話）碰撞在天空中留下的特征或“痕跡”，這可能有助于我們驗證多元宇宙理論。

令人振奮的是，數值相對論還有望揭示大爆炸之前是否存在一個宇宙。也許宇宙是循環的，經歷了從舊宇宙到新宇宙的“反彈”，不斷經歷重生、大爆炸和大擠壓。這是一個很難通過解析方法解決的問題。“反彈宇宙是一個很好的例子，因為它們達到了強引力區域，你無法依賴對稱性”，林說，“已經有幾個團隊在研究它們了 —— 過去可不是這樣的。”

數值相對論模擬極其復雜，需要超級計算機才能運行。隨著這些機器技術的進步，我們對宇宙的理解有望取得重大突破。林希望團隊的這篇新論文，概述了數值相對論的方法和益處，最終能幫助不同領域的研究人員跟上研究進度。

“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夠著手開展研究，”林說，“也讓那些對解決他們無法解決的問題感興趣的宇宙學家能夠利用數值相對論。”