Η προσομοίωση του Σύμπαντος: Ζούμε σε ένα πρόγραμμα Matrix;

Ο δεύτερος ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο που ήταν ο ταχύτερος μέχρι πριν από λίγες βδομάδες ξεκίνησε να «τρέχει» την πιο περίπλοκη προσομοίωση του Σύμπαντος σε υπολογιστή μέχρι σήμερα. Ο στόχος αυτής της προσομοίωσης είναι να δοκιμάσει αυτό που οι ερευνητές περιγράφουν ως «κοσμολογική υδροδυναμική».

Ο υπερυπολογιστής που είναι γνωστός ως Frontier βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στις ΗΠΑ και είναι ένα πραγματικό υπολογιστικό θηρίο. Κατασκευασμένος για να είναι ο πρώτος υπερυπολογιστής exascale, μπορεί να εκτελέσει έως και 1,1 exaFLOPS, που ισούται με 1,1 πεντάκις εκατομμύριο (10^18 ή 1.100.000.000.000.000.000) λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο.

Είναι κατασκευασμένο από 9.472 κεντρικές μονάδες επεξεργασίας (CPU) της εταιρείας AMD και 37.888 μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU) της AMD. Ο Frontier ήταν ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο έως ότου ένας άλλος υπερυπολογιστής, ονόματι El Capitan που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, επίσης στις ΗΠΑ, τον ξεπέρασε με 1.742 exaFLOPS τον Νοέμβριο του 2024.

Οι προσομοιώσεις

Μια ομάδα από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Ιλινόις, με επικεφαλής τον διευθυντή του τμήματος Argonnes για την υπολογιστική επιστήμη, Σαλμάν Χαμπίμπ, χρησιμοποίησε την προσομοίωση Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) στον Frontier. Το HAAC αναπτύχθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 15 χρόνια και μοντελοποιεί την εξέλιξη του Σύμπαντος. Ο κώδικάς του γράφτηκε έτσι ώστε να μπορεί να προσαρμοστεί για οποιονδήποτε είναι ο ταχύτερος υπερυπολογιστής ανά πάσα στιγμή.

Το HACC αναπτύχθηκε αρχικά σε υπερυπολογιστές κλίμακας peta (με δυνατότητα για εκτέλεση τετράκις εκατομμύρια υπολογισμούς) που φυσικά λιγότερο ισχυροί από τους Frontier και El Capitan. Για παράδειγμα, ένα έργο της ομάδας Argonne ήταν να χρησιμοποιήσει το HACC για να μοντελοποιήσει τρεις διαφορετικές κοσμολογικά περιβάλλοντα στον υπερυπολογιστή Summit, έναν υπολογιστή σε κλίμακα peta που ήταν ο ταχύτερος στον κόσμο μεταξύ Νοεμβρίου 2018 και Ιουνίου 2020. Οι τρεις προσομοιώσεις πήραν τα ονόματα πλανητών από τον κόσμο του Star Trek.

Η προσομοίωση Qo’nos (που πήρε το όνομά του από τον μητρικό πλανήτη της φυλής Klingon) μοντελοποίησε το Σύμπαν χρησιμοποιώντας το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας η οποία περιλαμβάνει υπολογισμούς τόσο για τη σκοτεινή ενέργεια όσο και για την ψυχρή σκοτεινή ύλη. Η προσομοίωση Vulcan περιελάμβανε τεράστια νετρίνα και η προσομοίωση Ferenginar (που πήρε το όνομά της από την φυλή Φερένγκι) εξερεύνησε ένα Σύμπαν όπου η σκοτεινή ενέργεια δεν ήταν σταθερή αλλά άλλαζε με την πάροδο του χρόνου.

Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις έδειξαν ότι όταν η σκοτεινή ενέργεια ποικίλλει μπορεί να οδηγήσει σε ισχυρότερη συσσώρευση γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν – κάτι που οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να αναζητήσουν σε έρευνες γαλαξιών υψηλής μετατόπισης, δηλαδή έρευνες γαλαξιών που κοιτάζουν σε περιοχές στις εσχατιές του ορατού Σύμπαντος.

Από πολλές απόψεις, οι προσομοιώσεις που προκύπτουν είναι τόσο μεγάλες και λεπτομερείς όσο μια σημαντική βαθιά αστρονομική έρευνα, όπως η Sloan Digital Sky Survey ή οι επικείμενες έρευνες που θα διεξαχθούν από το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin. Ωστόσο οι προσομοιώσεις Summit ήταν αποκλειστικά «βαρυτικές» και έτσι δεν ήταν αρκετά ισχυρές ώστε να περιλαμβάνουν άλλες δυνάμεις ή αποτελέσματα.

Χρειάστηκαν πιο ισχυρές προσομοιώσεις για να συμπεριλάβουν άλλες δυνάμεις και φαινόμενα εκτός από τη βαρύτητα, και εκεί έρχεται ο Frontier, που υποστηρίζεται από ένα έργο 1.8 δισεκατομμυρίων δολαρίων του Υπουργείου Ενέργειας που ονομάζεται ExaSky για τη χρηματοδότηση υπολογιστών exascale.

Τα στοιχεία

Στο τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας, κυριαρχούν δύο στοιχεία: η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια. Το υλικό από το οποίο είμαστε φτιαγμένοι όλοι μας, η λεγόμενη βαρυονική ύλη, αποτελεί λιγότερο από το 5% της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν.

«Επομένως, αν θέλουμε να μάθουμε τι κάνει το Σύμπαν, πρέπει να προσομοιώσουμε τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, τη βαρύτητα καθώς και όλη την άλλη Φυσική, συμπεριλαμβανομένου των θερμών αερίων και του σχηματισμού άστρων, τις μαύρες τρύπες και τους γαλαξίες. Θα μπορούσαμε να το χαρακτηρίσουμε όλο αυτό ως έναν αστροφυσικό νεροχύτη κουζίνας για αυτό και ονομάζουμε τις προσομοιώσεις αυτές προσομοιώσεις κοσμολογικής υδροδυναμικής» λέει ο Χαμπίμπ.

Προκειμένου να προετοιμαστεί το HACC για λειτουργία στο Frontier, οι απαιτήσεις του έργου ExaSky ήταν ότι το HACC πρέπει να τρέχει τουλάχιστον 50 φορές πιο γρήγορα στο Frontier από ό,τι στον Titan, ο οποίος ήταν ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον κόσμο το 2012 όταν το HACC αναπτύχθηκε αρχικά. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του στο Frontier, το HACC έδειξε ότι είναι σχεδόν 300 φορές ταχύτερο.

Ο Μπρόνσον Μέσερ διευθυντής της επιστήμης στο Oak Ridge Leadership Computing Facility, πιστεύει στο HACC για την προσθήκη του «φυσικού ρεαλισμού της συμπερίληψης των βαρυονίων και όλων των άλλων δυναμικών Φυσικών που κάνουν αυτή την προσομοίωση ένα πραγματικό κατόρθωμα ισχύς για το Frontier».

Το ερώτημα

Οι προσομοιώσεις, οι οποίες θα είναι προσβάσιμες στην αστρονομική κοινότητα, θα επιτρέψουν στους ερευνητές να εξερευνήσουν τα κοσμολογικά τους μοντέλα, θέτοντας ερωτήσεις σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, τη δύναμη της σκοτεινής ενέργειας ή επιδιώκοντας εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας όπως η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND ). Οι προσομοιώσεις μπορούν στη συνέχεια να συγκριθούν με αυτό που βρίσκουν οι πραγματικές αστρονομικές έρευνες, για να καθοριστεί ποιο μοντέλο ταιριάζει καλύτερα στις παρατηρήσεις.

Όλα αυτά εγείρουν ένα συναρπαστικό φιλοσοφικό ερώτημα: Εάν η υπολογιστική ισχύς συνεχίσει να αυξάνεται, οι προσομοιώσεις μας για το Σύμπαν θα γίνουν πιο λεπτομερείς και ακριβείς παράλληλα, αλλά πού τελειώνει;

Έχει προταθεί από ορισμένους επιστημονικούς στοχαστές ότι εμείς οι ίδιοι μπορεί να ζούμε σε μια προσομοίωση, ίσως ως προϊόν της προσπάθειας κάποιου άλλου να μοντελοποιήσει την πραγματικότητα. Και αν δημιουργούμε προσομοιώσεις ενώ βρισκόμαστε μέσα σε μια προσομοίωση, τότε ίσως στην πραγματικότητα βρισκόμαστε σε μια κατάσταση που αποκαλείται «άπειρη παλινδρόμηση» μια έννοια ότι κάθε εξήγηση απαιτεί άλλη εξήγηση.

Naftemporiki.gr