宇宙模拟器测评：科学家如何构建数字虚拟宇宙

来源：光明日报

将一片横跨约120亿光年的广袤宇宙，完整“封装”进计算机系统——这一构想已从科幻步入现实。4月23日，由中国科学家主导的国际科研团队宣布，成功在超级计算机中构建出名为“千衍”的数字虚拟宇宙，为人类宇宙学研究提供了一份具备超高精度的数字基准图谱。

该数字虚拟宇宙，本质上是依托超算强大性能构建的、与真实宇宙物理规律高度一致的数字化复现。它系统性地模拟了宇宙自大爆炸起138亿年的完整演化史，其每一个关键演化节点的状态均以高保真数字模型形式得以精确呈现。

实现这一壮举的技术路径是什么？据中国科学院国家天文台研究员王乔阐释，“千衍”项目通过精确计算物质间的引力作用，追踪了约4.2万亿个虚拟暗物质粒子的运动轨迹与结构聚集过程，并保存了100个不同宇宙时期的演化“快照”。更为深入的是，结合前沿的星系形成物理模型，该模拟能够进一步生成虚拟星系的形态、颜色及光谱等多维度物理信息。

构建如此宏大的数字宇宙，其核心科学价值在于“比对验证”。研究人员可将这一高精度虚拟宇宙的输出结果，与各类实际天文观测数据进行系统性对比。这相当于为宇宙学研究提供了一套极其精细的“理论预测框架”，不仅能用于检验和深化关于暗物质性质、暗能量状态方程等基础物理认知，还将实质性推动对星系形成机制、演化路径及大尺度结构生长的理解。

该成果已具备明确的实用化前景。据悉，“千衍”模拟数据将为包括中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）在内的多个国际旗舰级天文观测项目，提供关键的理论预测与数据分析基准。

支撑这项成就的，是底层计算技术的重大突破。“千衍”模拟所依赖的，是国家天文台研究员高亮团队历时十余年自主研发的PhotoNs数值模拟软件。该软件并非简单移植，而是针对国产超级计算机的异构架构进行了深度定制与优化。经过持续攻关，团队成功实现了在上万张加速计算卡上长时间、高效率且稳定的大规模并行计算，标志着我国在宇宙学数值模拟与高性能计算交叉领域取得了自主突破。

此项工作获得了国际同行的积极评价。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的麦克·博伊兰-科尔钦教授称其为一项“计算奇迹”，认为其在模拟的空间尺度与物理细节的保真度上均设立了新标杆，将在未来多年内持续作为该领域的基准成果。德国马普天体物理研究所所长沃尔克·斯普林格尔教授同样指出，“千衍”重新设定了当代数值宇宙学的能力边界，其强大的统计效能使得科研人员能够以前所未有的精度，对主流宇宙学标准模型进行严格的定量检验。

可以说，这个被“封装”进计算机的虚拟宇宙，不仅是一项计算技术的里程碑，更是一把用以开启宇宙深层物理规律研究的新钥匙。