宇宙學家首次利用阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的全部力量，對宇宙的演化進行了詳細的計算。
這兩個研究小組的技術——打破了近一個世紀的傳統——可能有助於解決關於先前簡化模擬準確性的爭議，並可能幫助研究人員解釋天文學家日益精確的觀測結果。
廣義相對論將引力解釋為時空彎曲。在愛因斯坦於 1915 年提出他的理論後不久，其他人意識到它對宇宙尺度具有重大的影響。比利時宇宙學家喬治·勒梅特和其他人在 20 世紀 20 年代指出，一個滿足愛因斯坦理論的宇宙應該膨脹或收縮。（與此同時，天文學家埃德溫·哈勃和其他人表明，宇宙實際上正在膨脹。）
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但是，如果不做簡化計算的假設，就無法在宇宙尺度上求解愛因斯坦方程。為了得出他們的結論，勒梅特和其他早期相對論學家假設物質均勻地分佈在空間中，作為一個連續體，而不是集中在恆星和星系中。
分佈問題
技術的進步並沒有實質性地改變這種情況，因為即使對於超級計算機來說，完整的相對論計算也很困難。大多數宇宙學家繼續以這種方式對宇宙進行建模，從大爆炸開始。為了解釋諸如星系和星系團等大型結構是如何從彌散的原始氣體中形成的，研究人員從輕微“超密度”區域開始，這些區域然後在引力的作用下發展成塊狀結構。然而，這些模型假設物質的不均勻分佈僅適用於他們正在研究的相對較小的區域——同時保持最大尺度上的均勻分佈。
一些宇宙學家認為，這更多的是一種必要的策略，而不是一個充分合理的假設。“宇宙的均勻性是一種哲學發明，”義大利帕多瓦大學的廣義相對論理論家薩比諾·馬塔雷塞說。在過去的十年左右，馬塔雷塞和其他人認為，這個假設甚至可能導致天文學家在得出宇宙膨脹在神秘的“暗能量”的作用下一直在加速的結論時，誤讀了他們的資料。
他說，這引發了一場激烈的辯論。但是，他補充說，均勻性的假設“部分是迴圈論證，我們可以嘗試質疑它，而不會陷入戲劇性”。
義大利卡塔尼亞大學的數值相對論學家埃洛伊薩·本蒂韋尼亞說，“原則上，在不均勻的宇宙中，遙遠的星系可能看起來像是在加速後退，” 模仿暗能量的影響。
匯聚在一起
現在，她和英國朴茨茅斯大學的馬可·布魯尼，以及美國俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的格倫·斯塔克曼和他的同事們，已經對遵循廣義相對論而沒有限制的宇宙進行了首次完整模擬。每個小組都使用超級計算機來模擬早期宇宙如何膨脹，以及當物質開始在引力的作用下聚集在大型區域中，留下氣體更稀薄的其他區域時，其彎曲如何演變。
他們的論文於 6 月 24 日發表在《物理評論快報》和《物理評論 D》上，仍然沒有重現實際宇宙的全部複雜性，但他們對相對論的完全擁抱是“革命性的”，馬塔雷塞說。
這兩個小組使用了略有不同的技術，重點關注不同的問題：歐洲人更關注“超密度”結構的形成，而美國小組則專注於宇宙如何膨脹以及其曲率如何影響光的傳播。兩個團隊都表示，未來他們計劃提高模型的複雜性，並將它們與天文學家實際可以測量的量聯絡起來。
這兩個小組都建立在數值模擬技術的基礎上，這些技術是為計算相互繞軌道執行的黑洞對周圍的時空彎曲以及由此產生的引力波而開發的——這些預測正是今年早些時候由高階雷射干涉儀引力波天文臺 (LIGO) 證實的。“這是數值相對論和宇宙學之間以前從未發生過的結合，”斯塔克曼說。
馬塔雷塞說，可能需要二十年的時間才能解開這些技術的潛力。他和其他人說，雖然暗能量可能仍然存在，但研究人員將需要越來越精確的預測來解釋即將到來的大型科學天文臺的結果。這些將包括來自澳大利亞和南非的平方公里陣列的資料。
最大的問題是，物質在密集區域中的聚集——以及隨後的星系形成——是否會對宇宙的整體膨脹產生影響。費米國家加速器實驗室（Fermilab）宇宙學家斯科特·多德爾森說，這種“反作用”效應可能會透過下一代實驗進行測試，這將是一個“巨大的勝利”。但是，他說，目前尚不清楚理解這些效應是否需要這些團隊的技術，或者更傳統的方法是否足夠。
斯塔克曼預計，最終，就大局而言，宇宙學的標準模型將成立——包括暗能量的存在。“但我們必須檢查。”
本文經許可轉載，首次釋出於2016 年 6 月 24 日。