宇宙大规模模拟 探索幽灵中微子的秘密 会很复杂很难吗

　　你如何检验宇宙理论？通过建造巨大的超级计算机并模拟宇宙的演化。 一组日本科学家建立了有史以来最大的宇宙模拟，其中包括称为中微子的微小“幽灵”粒子。为了探索物理学中最大的未解之谜之一，研究人员使用了多达 700 万个 CPU 内核来解决 3300 亿个粒子和 400 万亿个计算网格的演化问题。

　　迄今为止，宇宙中最重要的物质形式是暗物质。我们不确定它是什么或由什么制成，但我们知道有很多。它约占所有物质的 80%。重子物质——构成恒星、行星和整个周期表丰富种类的物质，只占宇宙中所有物质的一小部分。

　　暗物质构成了宇宙的支柱。数十亿年前，宇宙中没有结构。所有的物质——无论是黑暗的还是其他的——都平稳地分布着，一点也不块状。不同地方的密度变化不大。总的来说，这是一个非常无聊的宇宙。

　　但随着时间的推移，宇宙变得更加有趣。存在微小的密度差异，源于大爆炸初期的微观量子涨落。密度稍高的地方重力稍大，暗物质开始聚集在一起。随着这些早期结构的萌芽，它们吸引了更多的材料。数十亿年来，这个过程清空了宇宙的广大区域——现在被称为宇宙空洞，将所有物质拉入一个由星团、墙壁和细丝组成的广泛网络。

　　然后是中微子，几乎没有任何质量的极其微小的粒子。事实上，它们只占宇宙总质量的不到 0.1%。但是这些微小的粒子对结构的演化有着巨大的影响。它们很快，能够以接近光速的速度行进。这种令人难以置信的速度抑制了大型结构的形成，例如星系和星团。

　　暗物质希望通过引力不断堆积，而中微子运动速度太快，无法在一个地方安定下来。虽然中微子的质量很小，但它们仍然有一些质量。它们可以利用引力对暗物质的行为产生微弱的影响，从而防止它像往常一样紧密地聚集在一起。

　　换句话说，宇宙比没有中微子时要平滑一些。

　　寻找三种已知的中微子“味道”——电子中微子、μ子中微子和τ中微子——的质量是现代物理学中一个主要的未解决问题。但具有讽刺意味的是，我们可以通过绘制宇宙中最大的结构来测量这些微小粒子的质量。

　　为了理解暗物质的本质以及中微子在塑造宇宙演化中的作用，宇宙学家经常求助于计算机模拟。如果你在模拟中稍微改变中微子的质量，它将改变中微子如何影响数十亿年的结构形成。因此，通过测量这些相同的结构，您可以了解中微子的质量。

　　这些模拟通常包含真实宇宙的一小部分，并从一组暗物质“粒子”开始，每个粒子代表一定数量的暗物质——例如，质量数百万倍的单个斑点的太阳。然后模拟将这些粒子定位为它们在早期宇宙中的位置。模拟跟踪这些粒子如何通过它们的相互引力演化，从而产生我们今天看到的巨大结构。

　　这是一种近似技术，因为暗物质的真实行为由有限数量的粒子表示，但它对暗物质非常有效。模拟中微子要困难得多，因为它们的速度太快了。很难在模拟中跟踪他们的行为，因为他们可以在短时间内从模拟的一侧移动到另一侧。因此，模拟无法跟上中微子的行为方式以及它们如何影响暗物质。

　　所以也许我们不应该费心去尝试近似中微子的行为。要正确跟踪中微子的演化并解释它们的快速行为，需要求解一个极其复杂的方程。然而，求解这个方程——以俄罗斯物理学家阿纳托利·弗拉索夫的名字命名的弗拉索夫方程——需要大量的计算资源。

　　所以一个日本科学家团队就是这样做的：他们在 Fugaku 超级计算机上使用了 700 万个处理器来追踪暗物质的演化和中微子对结构形成的影响。在同类模拟中，研究人员使用 3300 亿个粒子来表示暗物质，并使用 400 万亿个组件的计算网格来表示中微子。

　　虽然它可能没有解开中微子质量的谜团，但模拟确实为更多类似的问题铺平了道路。从本质上讲，这个模拟是一个概念验证，表明我们现在可以比以往任何时候都更准确地将中微子包括在模拟中。有了这项新技术，未来的模拟将为了解中微子在宇宙中的作用打开一扇窗户，甚至可能会揭示解开它们质量的钥匙。