模擬宇宙結構不用超算了！新工具讓筆記本1小時搞定數天任務

自人類抬首望向星空以來，對宇宙的好奇與探索便從未止步。當前階段的宇宙學，尤其是對宇宙大尺度結構（Large-Scale Structure, LSS）的研究，已經進入了數據驅動和超算依賴的時代?？茖W家們試圖通過精密的計算機模擬，去追溯宇宙從誕生之初微小的量子擾動，如何演化成今天我們所見——一個由星系團、超星系團、宇宙纖維以及巨大空洞所構成的巨型網絡。

然而，這類模擬所需的巨量信息資源，通常只有世界上少數幾臺頂尖的超級計算機才能勝任，且每次運行往往需耗時數周乃至數月。但近日，由加拿大滑鐵盧大學領銜開發的一項軟件工具，正有望改寫這一游戲規則。

(來源：github)

這款名為 Effort.jl 的軟件，采用了一種被稱為 AI 模擬器（Emulator）的技術模式，來取代傳統的、從頭開始的物理模擬。這款工具不是簡單地重復大尺度結構有效場論（EFTofLSS）復雜的計算步驟，而是選擇訓練一個優化的神經網絡，來掌握和復制大模型的輸出模式。

我們可以將傳統的 EFTofLSS 模擬想象成一個極度精密的工廠，每次生產（模擬）都需要消耗大量的能源和時間。而 Effort.jl 就像一個高性能的代理系統，它通過學習這家工廠的歷史生產記錄（即模型已有的計算結果），建立起一個高效的預測模型。這個網絡學習了從輸入參數（如暗物質的密度、暗能量的特性等）到輸出預測（如星系在空間中的分布特征）之間的關系。

Effort.jl 的訓練過程使用了 60,000 組不同宇宙學參數配置及其對應的功率譜數據, 通過五層隱藏層、每層 64 個神經元的神經網絡架構來捕捉這些復雜關系。整個訓練過程在一臺配備 8 核 CPU 的普通工作站上僅需約一小時。

正是基于這種技術方法上的創新，Effort.jl 可以在一臺普通的筆記本電腦上運行，不再需要完全依賴超算的力量，極大降低了該方向的研究成本。

而在訓練完成后, Effort.jl 的計算速度進化也十分驚人：它對于星系功率譜的單次計算時間只需大約15 微秒——這個速度比傳統方法快了數個數量級。具體來說，傳統上需要超級計算集群“數天”才能完成的高收斂度分析任務，Effort.jl 在一臺標準硬件上僅用略微超過 1 小時便可以完成。

不過，速度的提升必須以保證精度為前提。研究團隊在《宇宙學和天體粒子物理學雜志》上發布了對于模型的測試結果——這些測試涵蓋了多個基準數據集，包括對BOSS 巡天數據等真實觀測數據集的分析。結果顯示，Effort.jl 的預測結果與業界公認、耗費大量資源的 EFTofLSS 代碼pybird所得的貝葉斯后驗概率分布（用于確定參數最佳值的統計分布）達到了高度的一致性。

該研究的第一作者 Marco Bonici 補充道：“在某些情況下，使用模型時你必須裁剪部分分析以加快速度，而使用 Effort.jl，我們能夠將那些缺失的部分也包括進來。”這意味著，在某些分析上，這款模仿器甚至能比傳統超算提供更精細的細節。

圖 | 相關論文（來源：arXiv）

當然，Effort.jl 也并非萬能。Bonici 特別強調，這個工具無法替代科學家的專業判斷："宇宙學家仍然需要負責設定合理的參數先驗、解讀分析結果，并運用物理直覺來確保結論的意義。Effort.jl 提供的是計算加速，而非科學洞察本身。"此外，模擬器的準確性依賴于訓練數據的質量和覆蓋范圍——如果待分析的模型參數落在訓練集邊界之外，預測精度可能會下降。不過團隊已經通過符號回歸 (symbolic regression)等技術來進一步擴展模擬器的適用范圍，從而在不損失精度的前提下進一步提速。

這項工作的意義遠不止于讓宇宙學計算變得更便宜、更快捷。它也代表了一種研究范式的轉變：從“我們能研究什么問題”轉向“我們想研究什么問題”。在過去，許多理論物理學家因為計算成本過高而不得不簡化模型假設，或者在參數空間中只探索有限的區域。Effort.jl 這類工具的出現，意味著研究者可以更自由地嘗試復雜模型，進行更細致的敏感性分析，甚至在數據分析過程中實時調整策略。

目前，團隊已經將這款工具在 GitHub 平臺上進行開源發布。無論是小型研究團隊、還是單個的研究人員，都有機會利用一臺普通的電腦，參與到宇宙學數據分析中來。

而在未來幾年，對于即將到來的 DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument，暗能量光譜儀) 和 Euclid（歐幾里得空間望遠鏡）等下一代大型巡天項目，這種能力尤為關鍵——這些項目將產生比以往多出數個數量級的數據量，傳統計算方法根本無力應對。屆時 Effort.jl 或將大顯身手。

1.https://arxiv.org/html/2501.04639v1

2.https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250918225001.htm#

運營/排版：何晨龍