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宇宙論は科学の中で最も野心的なものです。その目的は、明白に言えば、古代と同じくらい巨大な宇宙全体の起源、進化、構造を記述することです。
驚くべきことに、宇宙がかつてどのようなものであったかを解明することは、宇宙論の簡単な部分です。高感度の望遠鏡を空の暗い隅に向けて長時間露光すると、若い宇宙からの光子、つまり100億年以上前に銀河間空間に初めて飛び出した光子を捉えることができます。これらの古代の輝きを十分に集めると、スナップショット原始宇宙の、ビッグバン後に形成された最初の銀河の大まかな写真。
のような空のマッピング プロジェクトのおかげで、スローン デジタル スカイ サーベイ、現在の宇宙の構造についてもかなりのことがわかっています。私たちは、それが銀河の塊とフィラメントでつながった広大な銀河の網に拡大し、間に巨大な空洞があることを知っています。
ほぼ常に銀河を追跡するにはどうすればよいでしょうか?あなたは新しい宇宙を構築します。
宇宙論における本当の課題は、最初の誕生したばかりの銀河に何が起こったのかを正確に解明することです。私たちの望遠鏡では、タイムラプスで観察することはできません。若い宇宙のイメージを早送りすることはできません。その代わりに、宇宙論者は、なぜこれらの銀河のいくつかが互いに離れて飛び立ち、他の銀河が合体して、今日私たちの周りに見られる巨大な銀河団やフィラメントに落ち込んだのかを説明する数学的物語を作り上げなければなりません。
宇宙論者がそのようなもっともらしい話をなんとかまとめ上げたとしても、自分たちの研究を検証するのは難しいと感じています。銀河の進化のあらゆる段階で見ることができない場合、銀河に関する物語が現実と一致していることをどのように確認すればよいでしょうか?ほぼ常に銀河を追跡するにはどうすればよいでしょうか?スーパーコンピューターの驚異的な計算能力のおかげで、この問題に対する解決策が見え始めています。それは、新しい宇宙を構築することです。
10月には、世界で3番目に速いスーパーコンピューター、ミラは、これまでに試みられた中で最大かつ最も複雑な宇宙シミュレーションを実行する予定です。このシミュレーションでは、120 億年以上に相当する宇宙の進化をわずか 2 週間に詰め込み、大規模な宇宙を定義するクモの巣のような構造にゆっくりと合体する数兆個の粒子を追跡します。
宇宙シミュレーションは何十年も前から存在していましたが、1兆個の粒子シミュレーションを実行するために必要な技術が利用可能になったのはつい最近のことです。ムーアの法則のおかげで、そのテクノロジーは年々進歩しています。ムーアの法則が成り立つなら、2010 年代後半のスーパーコンピューターは、ミラやその仲間のスーパーコンピューターよりも 1,000 倍強力になるでしょう。これは、計算宇宙論者がより高速かつ高解像度でより多くのシミュレーションを実行できることを意味します。彼らが作り出す仮想宇宙は、宇宙についての私たちの最も洗練されたアイデアの実験場となるでしょう。
サルマン・ハビブは、アルゴンヌ国立研究所ミラと協力して宇宙のシミュレーションを作成する研究チームのリーダー。先週、私はハビブと宇宙論、スーパーコンピューティング、そして私たちがいる巨大な宇宙の網についてミラが教えてくれるかもしれないことについて話しました。
あなたのプロジェクトがどのように機能するかを把握するのを手伝ってください。私の理解では、ビッグバン直後の初期宇宙のコンピューター シミュレーションを作成する予定です。このシミュレーションでは、何兆もの仮想粒子が相互作用し、物理法則と相互作用することになります。 130億年以上の期間。そして、シミュレーションが完了したら、最後に得られるものが望遠鏡で見ているものと似ているかどうかを確認することになります。そうですか？
ハビブ:それはかなりの近似値です。私たちの主な関心は宇宙全体にわたる大規模構造の形成であるため、ビッグバンの後、さらにはマイクロ波バックグラウンド時代のかなり後からシミュレーションを開始しようとしています。その理由を説明しましょう。物理学は非常に複雑で部分的には不明であるため、宇宙の始まりをどのようにシミュレートするかはわかりません。たとえそれができたとしても、初期の宇宙は現在私たちが見ている複雑さと比べて構造的に均質であるため、シミュレーションすることはできません。それをシミュレートするにはスーパーコンピューターが必要です。
その後、マイクロ波のバックグラウンド放射が起こった時点で、何が起こっているのかについて、よりよく理解できるようになります。WMAPそしてプランク当時の宇宙がどのようなものであったかについては、非常に明確な画像が得られましたが、それでも宇宙は依然として非常に均質であり、その密度の変動はおよそ 10 万分の 1 です。このような均質性があれば、スーパーコンピューターがなくても計算とモデリングを行うことができます。しかし、宇宙の密度が現在の約 100 万倍になるところまで早送りすると、物事が非常に複雑になり、計算をスーパーコンピューターに任せたくなります。
さて、私たちが話している何兆もの粒子は、陽子や中性子などの実際の物理的な粒子であるはずではありません。これらの数兆個の粒子は宇宙全体を表すことを意図しているため、非常に巨大で、太陽 10 億個分の範囲に相当します。私たちはこれらの粒子がどのように相互作用するかの重力力学を知っているので、重力と宇宙の膨張の両方の結果として粒子がどのような密度と構造を生み出すかを知るために粒子を進化させます。
つまり、これが本質的にシミュレーションの動作です。初期条件を取得し、それを現在まで進めて、宇宙の構造形成に関する考えが正しいかどうかを確認します。
今日私たちが望遠鏡を通して見ている宇宙の構造を、最大のスケールでどのように説明しますか?それはクモの巣状であるとか、フィラメントのシートで構成されているという人もいますが、それらは正確な説明でしょうか?
ハビブ:それは非常に正確な考え方です。人々はしばしばそれを宇宙の網、つまりソ連の物理学者に遡る絵として考えています。ヤコフ・ゼルドヴィッチ彼は宇宙の構造がどのように形成されるかについて非常に深い洞察を持っていました。その考えは、宇宙は最初は非常に滑らかで、非常に均質であり、ほとんど摂動がないということです。
見てみると、あまり見えないかもしれません。しかし、宇宙が膨張するにつれて、重力によって物質が引き寄せられ、局所的な構造が形成されます。形成される最初の構造はシートであり、シートが交差する場所ではフィラメントが得られ、フィラメントが交差する場所では塊が得られます。時間が経つにつれて、この巨大な空隙、フィラメント、塊のウェブが存在する基本的な構造が見え始めることができます。シートは非常に薄く、非常に儚いので、それを見るのは非常に困難ですが、構造の残りの部分は、特に目で見ると非常に鮮明で鮮明です。スローン デジタル スカイ サーベイ。
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以前のシミュレーションは、望遠鏡で見る構造を作り出すことに成功しましたか?
ハビブ:そうそう、ウェブのような構造はシミュレーションによって完全に裏付けられています。シミュレーションの歴史はずっと昔に遡ります。最も初期のものの 1 つは、現代のシミュレーションの先駆者であると私が考えているもので、1960 年代後半にカナダ系アメリカ人の宇宙学者によって行われました。ジム・ピーブルズ。彼はロス アラモスで夏を過ごし、滞在中に 300 個の粒子のシミュレーションを実行することができました。もちろん、これは今日のシミュレーションと比較するとかなり小さいものです。それ以来、人々はますます大規模なシミュレーションを実行してきましたが、実行すると、一貫して同じクモの巣のような構造が確認されます。
これらのシミュレーションには美的な要素はありますか?実際に銀河が形成されていくのを見ることができるのでしょうか？
ハビブ:美的要素は間違いなくあります。私たちは構造の実際の画像を見ていますが、銀河が形成されているのは見えません。これはそれほど詳細ではなく、さらに重力のみのシミュレーションもあります。大規模な構造シミュレーションの場合、シート、フィラメント、塊がどのように得られるかを理解するために必要なのは重力だけです。銀河がどのように形成されるかを知りたければ、残りの物理学が必要です。個々の原子、角運動量、気体の物理学などが必要です。これらは非常に複雑なプロセスであり、それらを実行するための計算能力はまだありません。宇宙全体のスケール。スーパーコンピューターを使って銀河形成をシミュレーションする人もいますが、彼らはそれを宇宙のより小さな体積で行わなければなりません。
初期宇宙のインフレーションモデルの一部は、おそらく独自の物理法則によって追加の宇宙を生成し続けるプロセスを示唆しています。確かに、それは今コンピューターでモデル化できるものではありませんが、いつかそれができるようになるかもしれません?
ハビブ:そうかもしれないが、理論をもっと理解する必要があるだろう。あなたが話している永遠のインフレーション理論には 2 つの問題があります。第一に、計算が非常に難しいことですが、第二に、理論自体がまだ十分に定義されていません。現時点では、永遠のインフレーションのような理論は推測物理学の領域にあると私は主張します。永遠のインフレーションにはモデルがあります -- 私はそれについて論文を書きました、そして他の多くの人もそうしています -- しかし、方程式を見てみると、それらはあまり明確に定義されていません。
それは、新しい宇宙の生成について話すとき、量子力学と重力の交差点について話しているのですが、量子重力についてはまだ満足のいく理論が存在しないからです。いつか満足のいく理論に形を変える可能性のある候補はありますが、確実なことは言えません。多元宇宙のアイデアは興味深く、挑発的ですが、まだ進行中のものです。
モデルを現在を超えて実行すると何が起こるでしょうか?時間的に見て、誰かがこれらのシミュレーションを行った中で最も遠いところはどこでしょうか?
ハビブ:興味深い質問ですね。通常、現時点でシミュレーションを停止するのは、どのようにしてここに至ったのかを理解しようとしている段階であるためです。ただし、シミュレーションを停止する特別な理由はありません。引き続き前方に実行することもでき、過去にそれを実行した人もいます。彼らが発見したのは、宇宙をかなり遠い未来まで走らせると、かなり暗い場所にまで拡大するということです。
宇宙は加速度的に生成されているため、すべての物質は互いに逃げていきます。実際、人々はよく、今が宇宙論を行うのに最適な時期であると冗談を言います。なぜなら、今から数兆年後には何も見えなくなり、すべてが見えなくなってしまうからです。
確かに、これらのシミュレーションを将来に向けて実行することはできますが、それほど興味深いものではありません。この宇宙の加速膨張段階が私たちの予想通りに続くのであれば、宇宙は将来よりも今のほうがはるかに興味深いものとなっています。
あなたのプロジェクトは、世界で 3 番目に速いコンピューターである Mira スーパーコンピューターの開発によって可能になりました。ミラが特別な理由を説明していただけますか?
ハビブ:スーパーコンピューターについて 1 つか 2 つお話しさせてください。スーパーコンピューターは数年ごとに約 10 倍強力になるため、世代が新しくなるたびに、機能が大幅に向上します。スーパーコンピューターは高速化するだけでなく、はるかに大きくなり、より大きな問題を実行できるようになります。 Mira のようなスーパーコンピューターが通常のコンピューターと異なるのは、非常に多くの計算ユニットを備えていることです。
これを簡単に考えると、100 万台のラップトップが相互に高速に通信できるようにネットワーク接続されていると想像してください。ここで、問題を 100 万個のチャンクに分割し、各チャンクをラップトップに与えると、ラップトップはそのチャンクで動作し、必要に応じてデータを渡し、最終的には問題が解決されます。
これらすべてのシミュレーションを可能にしているのは、スーパーコンピューターの巨大なサイズです。たとえば、Mira にはペタバイト近いメモリが搭載されています。このようなシミュレーションを通常のコンピュータでやろうとすると、フィットできませんし、フィットできたとしても実行しようとすると永遠に終了しません。 Mira を使用すると、これらの宇宙シミュレーションを 1 ～ 2 週間で完了できます。
Mira のようなスーパーコンピューターが宇宙論以外のあらゆる種類の科学実験に使用されていることは知っています。今後数年間で他に何に使用されるのでしょうか?
ハビブ:多数のアプリケーションがあります。人々はスーパーコンピューターを使用して、材料の特性を判断し、燃焼を理解し、炎がどのように機能するかを解明します。これらは流体力学を決定するためにも使用されます。たとえば、航空機の翼の周りで空気がどのように流れるかを知りたい場合、スーパーコンピューターを使用すると、それを非常に正確に計算できます。天体物理学にはあらゆる種類の応用があります。人々はスーパーコンピューターを使って銀河間のガス、星の形成、超新星などを研究しています。
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ムーアの法則によれば、処理能力は指数関数的に増加します。今後数年間で処理能力が大幅に向上すると仮定すると、これらの実験をより迅速に実行するために使用するのと、より複雑な処理を実行するために使用するのとではどちらが良いでしょうか?
ハビブ:ムーアの法則には、私たちが直面している問題があります。これらのコンピューターのパフォーマンスをさらに向上させたい場合は、2 つの方法があります。1 つは計算ユニットの切り替えを高速化する方法、もう 1 つはさらに多くの計算ユニットを追加する方法です。ユニットをより速く切り替えたい場合は、より多くの電力が必要であることがわかりました。原理的には、より高速なマシンを構築できる限界に達しましたが、それを実際に実行するには何ギガワットもの電力が必要となり、そんなことをする余裕はありません。したがって、従来のムーアの法則は、この力の壁のせいですでに限界点に達しつつあります。
コンピュータのスイッチで使用される電力量を減らすことでこの問題を解決したい場合は、電圧を下げる必要がありますが、電圧を下げるとエラーが増加します。したがって、次世代コンピューターは、5 年ほどで、大きく変わったものになることが予想されます。異なる方法でそれらをプログラムする必要があるかもしれませんし、異なる方法で電力を供給する方法やエラーを修正する方法を考える必要があるかもしれません。面白いことになるだろうし、ある意味では今よりも苦しいことになるだろう。
2018 年か 2020 年頃には、これらのマシンは現在よりも 1,000 倍高速になるはずです。このような機械を使って何ができるかを解明するために多くの研究が行われていますが、実際にそこに到達できるかどうかはわかりません。そこに到達するために必要なテクノロジーへの投資があるかどうかはまだ明らかではありません。
スーパーコンピューターによるシミュレーションは基礎科学以外でも利用されることが増えているため、投資が期待される。スーパーコンピューターは新しい技術の開発に大きな役割を果たしています。たとえば、ディーゼル エンジンは、プロトタイプを作成しなくても、スーパーコンピューターでシミュレーションするだけで設計できます。
これらの宇宙シミュレーションの 1 つを高速化した大規模バージョンは、パブリック アート作品として最適なようです。誰かそのようなことを試した人はいますか？
