宇宙学家首次利用阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的全部力量，对宇宙的演化进行了详细的计算。
这两个研究小组的技术——打破了近一个世纪的传统——可能有助于解决关于先前简化模拟准确性的争议，并可能帮助研究人员解释天文学家日益精确的观测结果。
广义相对论将引力解释为时空弯曲。在爱因斯坦于 1915 年提出他的理论后不久，其他人意识到它对宇宙尺度具有重大的影响。比利时宇宙学家乔治·勒梅特和其他人在 20 世纪 20 年代指出，一个满足爱因斯坦理论的宇宙应该膨胀或收缩。（与此同时，天文学家埃德温·哈勃和其他人表明，宇宙实际上正在膨胀。）
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但是，如果不做简化计算的假设，就无法在宇宙尺度上求解爱因斯坦方程。为了得出他们的结论，勒梅特和其他早期相对论学家假设物质均匀地分布在空间中，作为一个连续体，而不是集中在恒星和星系中。
分布问题
技术的进步并没有实质性地改变这种情况，因为即使对于超级计算机来说，完整的相对论计算也很困难。大多数宇宙学家继续以这种方式对宇宙进行建模，从大爆炸开始。为了解释诸如星系和星系团等大型结构是如何从弥散的原始气体中形成的，研究人员从轻微“超密度”区域开始，这些区域然后在引力的作用下发展成块状结构。然而，这些模型假设物质的不均匀分布仅适用于他们正在研究的相对较小的区域——同时保持最大尺度上的均匀分布。
一些宇宙学家认为，这更多的是一种必要的策略，而不是一个充分合理的假设。“宇宙的均匀性是一种哲学发明，”意大利帕多瓦大学的广义相对论理论家萨比诺·马塔雷塞说。在过去的十年左右，马塔雷塞和其他人认为，这个假设甚至可能导致天文学家在得出宇宙膨胀在神秘的“暗能量”的作用下一直在加速的结论时，误读了他们的数据。
他说，这引发了一场激烈的辩论。但是，他补充说，均匀性的假设“部分是循环论证，我们可以尝试质疑它，而不会陷入戏剧性”。
意大利卡塔尼亚大学的数值相对论学家埃洛伊萨·本蒂韦尼亚说，“原则上，在不均匀的宇宙中，遥远的星系可能看起来像是在加速后退，” 模仿暗能量的影响。
汇聚在一起
现在，她和英国朴茨茅斯大学的马可·布鲁尼，以及美国俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的格伦·斯塔克曼和他的同事们，已经对遵循广义相对论而没有限制的宇宙进行了首次完整模拟。每个小组都使用超级计算机来模拟早期宇宙如何膨胀，以及当物质开始在引力的作用下聚集在大型区域中，留下气体更稀薄的其他区域时，其弯曲如何演变。
他们的论文于 6 月 24 日发表在《物理评论快报》和《物理评论 D》上，仍然没有重现实际宇宙的全部复杂性，但他们对相对论的完全拥抱是“革命性的”，马塔雷塞说。
这两个小组使用了略有不同的技术，重点关注不同的问题：欧洲人更关注“超密度”结构的形成，而美国小组则专注于宇宙如何膨胀以及其曲率如何影响光的传播。两个团队都表示，未来他们计划提高模型的复杂性，并将它们与天文学家实际可以测量的量联系起来。
这两个小组都建立在数值模拟技术的基础上，这些技术是为计算相互绕轨道运行的黑洞对周围的时空弯曲以及由此产生的引力波而开发的——这些预测正是今年早些时候由高级激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 证实的。“这是数值相对论和宇宙学之间以前从未发生过的结合，”斯塔克曼说。
马塔雷塞说，可能需要二十年的时间才能解开这些技术的潜力。他和其他人说，虽然暗能量可能仍然存在，但研究人员将需要越来越精确的预测来解释即将到来的大型科学天文台的结果。这些将包括来自澳大利亚和南非的平方公里阵列的数据。
最大的问题是，物质在密集区域中的聚集——以及随后的星系形成——是否会对宇宙的整体膨胀产生影响。费米国家加速器实验室（Fermilab）宇宙学家斯科特·多德尔森说，这种“反作用”效应可能会通过下一代实验进行测试，这将是一个“巨大的胜利”。但是，他说，目前尚不清楚理解这些效应是否需要这些团队的技术，或者更传统的方法是否足够。
斯塔克曼预计，最终，就大局而言，宇宙学的标准模型将成立——包括暗能量的存在。“但我们必须检查。”
本文经许可转载，首次发布于2016 年 6 月 24 日。