如何模拟一个宇宙?

我们会生活在计算机模拟中吗?如果是这样，为什么会这样，这是怎么发生的?首先，为了了解科学家是如何模拟宇宙的，希瑟·詹姆森采访了剑桥大学的尼克·亨登。

Heather -我们人类是一群好奇的人。千百年来，我们一直在努力提高我们对周围世界的理解，在过去的几十年里，我们开发了一个非常强大的工具来帮助我们实现这一目标:计算机模拟。我们在科学和工程的所有分支中使用计算机模拟;从空气动力学到设计更好的汽车和飞机，到气候模型以更好地了解全球变暖的影响。有些人甚至认为我们可能实际上生活在计算机模拟中。

2003年，哲学家尼克·博斯特罗姆提出了模拟理论。论点是这样的。想象一个拥有巨大计算能力的超级先进文明。如果我们假设他们像我们一样渴望知识和理解他们的世界，那么他们可能会把计算能力用于模拟整个宇宙的任务，在他们的超级计算机中进行研究。事实上，他们可能会模拟许多不同的宇宙，以了解微小的变化会产生什么差异。那么，如果模拟文明也获得了运行自己模拟的能力呢?然后我们在模拟中进行模拟，很快模拟的数量就大大超过了真实的数量。如果这是真的，那么可能存在数十亿个模拟宇宙，而真正的宇宙只有一个。所以从统计学上讲，我们不太可能生活在一个真实的宇宙中!

哇。有很多东西要让你理解——尤其是因为我不觉得我是一个模拟物。你怎么去模拟一个宇宙呢?为了回答这个问题，我采访了剑桥大学天文研究所的尼克·亨登，以了解宇宙学家如何利用计算机模拟来提高我们对宇宙的理解。尼克给我看了一段电脑模拟的星系团形成的视频。颜色代表温度，刻度的冷端为红色，然后是蓝色，绿色，然后是热端为白色。

在视频开始时，空间被一种红色气体填充。

尼克:所以你一开始看到的所有红色物质都是相当冷的气体，它几乎是均匀分布的，但并不完全是。

红色气体形成了一个3D网，有点像棉花糖，然后明亮的蓝色斑点开始出现在网上。

尼克:有些地区的气体比其他地区多，这些地区的额外重力将气体从密度较低的地区拉向它。

石楠——明亮的斑点越来越大，变成了绿白色的气体云。

尼克:气体密度最大的区域开始膨胀，当气体坍塌到这些区域时，气体会因为压力增加而升温。

石南——单个的气体云逐渐融合在一起，形成更大的云，直到最后，整个场景被大片的绿白色气体云所主宰，中间的黑暗空间里有红色的气体云。它看起来就像我在科幻电影中看到的一样。

但是这样的模拟是如何产生的呢?首先，你让电脑模拟一个非常大的盒子——一个直径数亿光年的盒子——然后你在模拟的盒子里填满粒子。

尼克:这些粒子主要代表气体和暗物质。这主要是宇宙早期的气体，所以大约有四分之三的氢和四分之一的氦。然后你应用物理定律，比如万有引力和描述气体流体运动的运动定律，你还添加了额外的过程，比如恒星形成，黑洞物理，以及其他各种对现实星系形成很重要的物理过程。

希瑟-但宇宙不是一个盒子。那么计算机在边缘处做什么呢?他们解决这个问题的方法是这样设置的，当一个粒子从右边出来，它会从左边重新进入。换句话说，你假装盒子的每一面都是复制的。只要盒子足够大，这种方法就能很好地工作。但是宇宙学家怎么知道他们的模拟是对现实的准确反映呢?

你可以用你的模拟模拟观察。所以你可以假装，“如果我用望远镜看我的模拟，我会看到什么?”然后你将它与我们在真实天空中看到的进行比较，如果它们匹配，那么你就知道你在创造一个真实的模拟方面做得相当好。

如果我们用望远镜观察一个遥远的星系，我们实际上是在回顾过去。这是因为来自这些星系的光需要时间才能到达我们这里。我们看得越远，我们就看得越早。所以如果我们看得很远，我们可以看到大爆炸后不久星系的样子。如果我们看得不那么远，我们可以在不同的时间点看到不同的星系，但我们无法看到单个星系的演化。但通过模拟，我们可以填补空白。通过这些模拟，我们能让时光倒流多远?我们能模拟宇宙大爆炸吗?

尼克:通过这些模拟，我们通常从早期的宇宙开始，大约在大爆炸后的30万年左右，这在天文学上根本不是很长。事实上，如果我们回到大爆炸的时候，在某种程度上，物理定律将会失效，在这种情况下，无论如何，模拟都是不好的。

希瑟:看来计算机模拟正在帮助宇宙学家回答一些生命最基本的问题。最后，作为一个从事模拟宇宙的人，尼克认为我们可能生活在矩阵中吗?

尼克-我认为这绝对是可能的。我认为，通过模拟——我们所做的各种模拟——计算能力在过去二三十年里得到了巨大的提高。所以很容易想象，如果这个速度继续下去，我们可以想象，最终将有可能模拟出一个与我们自己的宇宙无法区分的宇宙。在这种情况下，假设我们不是在某个未来种族运行的模拟之一似乎有些傲慢。