模拟宇宙的旅程，正如Michael Wagman的作品所例证的那样，突出了这一领域的历史演变和当代挑战。虽然完全模拟是遥不可及的，但计算和算法的进步正在逐渐增强我们对宇宙现象的理解。
如果有一台电脑能回答宇宙中所有最大的问题，那不是很好吗?
2013年，在研究生院的第一年，迈克尔·瓦格曼(Michael Wagman)走进导师的办公室，问道:“你能帮我模拟宇宙吗?”
美国能源部费米国家加速器实验室的理论物理学家和副科学家Wagman认为这似乎是一个合理的问题。他说:“我们对世界是如何运作的有很多漂亮的理论描述，所以我想尝试把这些正式的物理定律和我的日常现实经验联系起来。”
在回答这个问题时，韦格曼说，他的顾问笑了。模拟宇宙是不可能的。变量太多了;我们不了解的东西太多了。
但事实上，我们可以用计算机来模拟任何东西，任何表面上的准确性，这是一个巨大的飞跃，就一个世纪前的艺术水平而言。这就是为什么像Wagman这样的科学家在探索宇宙底层密码的过程中没有被吓倒。
在今年出版的《盒子里的宇宙》(The Universe In a Box)一书中，伦敦大学学院(UCL)宇宙学教授安德鲁·庞岑(Andrew Pontzen)通过描绘人类在模拟宇宙方面的进展，支持了这些努力。
计算机模拟的历史
模拟有点像假设的实验，Pontzen说。“我们在计算机中设置了假设的情况，我们已经编程了——在我们的例子中，有一定的物理定律——然后我们让计算机计算出这种情况的后果。接下来会发生什么?”
他说，自古以来，好奇的人就一直在用这种方式进行模拟。2000多年前，古希腊人使用了一种叫做“安提基西拉机制”(Antikythera Mechanism)的基本计算机来计算日食等天文事件的发生。
但是，也许第一次提到更现代的模拟概念是在英国数学家、计算机先驱Ada Lovelace的著作中。在19世纪中期，Lovelace和Charles Babbage一起工作，Charles Babbage是一位英国博学家和发明家，他设想了现代计算机的前身——分析机。他没能完全造出来，但他的目标是创造一台机器，只要改变输入到卡片上的编码指令，就能执行各种各样的计算。
庞岑说，洛夫莱斯认识到了分析机的潜力。“她写道，这台机器可以把(理论)科学从对抽象方程的追求变成更实用的东西。”
在20世纪初，数学家和气象学家路易斯·弗莱·理查森提议建造一个巨大的圆形剧场，里面坐满了数学家，他们一起计算，制作预测天气的模拟。“他相信描述物质行为的物理方程可以应用于地球大气中的物质，”Pontzen说。“这基本上就是今天的现代天气模拟所做的。”
计算机模拟推动宇宙学领域发展的最早例子之一来自比阿特丽斯·廷斯利在20世纪60年代末的工作。Tinsley是一位天文学家和宇宙学家(也是耶鲁大学第一位女性天文学教授)，她通过模拟证明，科学家在观察遥远星系时不仅是在回顾过去，而且随着这些星系的成熟，来自这些遥远星系的光也一定会发生变化。这种老化效应改变了宇宙学家对早期宇宙图的解释。
Pontzen说:“她构建了这些模拟——按照今天的标准，这些模拟被认为是非常初级的，但仍然是可识别的模拟——她在模拟中表明，鉴于我们对宇宙的了解，遥远的星系和近距离的星系是非常不同的。”“从某种意义上说，从那以后我们所做的一切都是在为星系随着时间的推移而发生很大变化的想法提供血肉。”
解决一个宇宙问题
尽管科学家们还不能模拟宇宙的整个演化过程，但他们已经成功地利用模拟来了解他们无法直接探测到的现象，比如暗物质和暗能量。
“例如，哈勃太空望远镜的数据告诉我们，宇宙正在以加速的速度膨胀，”庞岑说，这种现象归因于暗能量。“这非常令人兴奋，但实际上并不完全出乎意料，因为模拟已经表明这可能是真的。”
宇宙学家和物理学家利用模拟来更好地理解宇宙是如何在宇宙时间内运行的:某些结构是如何形成的?典型的星系是如何演化的?
华盛顿大学的理论物理学家和研究助理教授Dorota Grabowska说，模拟宇宙的特定方面当然是有帮助的，但只看一个方面是不可能收集到宇宙如何运作的大局的。
Grabowska说:“我们对早期宇宙动力学仍然有很多疑问，而且很难弄清楚如何计算其中的某些组成部分。”“如果我能在宇宙诞生时插入一个初始状态，然后让它随时间自然演化，并进行一些测量，那就容易多了。”但这真的很难做到，原因有很多。”
一个挑战是粒子物理学的标准模型解释了自然界四种基本力中的三种——电磁力、弱力和强力——但不能解释第四种力——重力。
“我们不知道如何模拟重力，”Wagman说。“我们知道，爱因斯坦的广义相对论和牛顿的万有引力定律都是很好的近似值，在低能量下工作得很好，但当你试图提出关于超高能态的问题时，这些数学就会崩溃，”比如大爆炸的条件。
其他三种力量当然也不容易模拟。
例如，强作用力支配着构成质子和中子的基本粒子之间的相互作用。这些相互作用——由量子色动力学(qcd)描述——是如此强烈地耦合在一起，以至于没有明确的描述哪些方面可能比其他方面更重要，甚至允许进行近似。格拉博夫斯卡说:“我们的很多纸笔计算方法都不起作用，因为我们无法进行近似。”
为了避免这种情况，科学家们使用量子计算来运行数值模拟，使用统计抽样来产生各种结果的概率——但只是在与现实不同的时间尺度上。格拉博夫斯卡说:“所以这意味着我们实际上并没有模拟宇宙中出现的QCD。”“我们模拟了一个类似的，可以直接连接，但它是不一样的。”
对于最复杂的模拟，科学家们已经提出了计算来弥补他们不理解的东西，并根据他们所做的做出假设。“在我们已知的情况下，对宇宙的模拟可以告诉我们什么是合理的，”Pontzen说。“模拟只是伴随着一系列的警告，以使模拟工作。”
模拟宇宙的能力
即使科学家们能够弄清楚如何实时描述所有四种基本力，即使他们理解了所有的物理定律，他们所需要的模拟宇宙的计算机能力仍然遥不可及。
如果目标是在模拟中捕捉宇宙中的一切，那就意味着模拟中应该有一个原子对应宇宙中的每个原子。“地球上没有任何一台计算机能够做到这一点，”Pontzen说。“宇宙太复杂了。里面的东西太多了。”
另一方面，Wagman说，“我们可以模拟的宇宙的范围在不断扩大，这一方面是通过提高计算能力，更重要的是，通过人们提出更好的算法，使我们能够更有效地模拟更复杂的事物。”
模拟向我们展示了什么是合理的，这样我们就可以预测自然界是如何运作的，在很多情况下，这些预测被证明是正确的。
“这并不意味着一切都是正确的，事实上，不可能一切都是正确的，”Wagman说。“但它确实给了我们一些信心，我们走在正确的轨道上。它教会了我们一些东西，这样我们就可以继续建立一个越来越准确的宇宙观。”
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