计算机中的模拟宇宙
张烜宇 2100011166
讲座从地球的元素组成和太阳系、宇宙的元素组成差异方面讲起。将地球上
的碳元素占比和宇宙中、太阳系中的占比比较可以发现，地球的结构中相比较太
阳系整体来看，是非常“贫碳”的。通过对原行星盘中的微粒吸附过程进行模拟
计算可以解释地球如此特殊的原因。
原行星盘中行星形成是一个长时间演化的复杂过程。起始于巨大的气体和尘
埃云，在引力作用下塌缩成旋转的盘状物，物质团块在旋转和引力作用下逐渐聚
集，相互碰撞、碎裂、合并。原行星盘中的微粒主要分为碳基微粒和偏硅酸盐微
粒两种，微粒表面吸附能的大小决定尘埃相撞是弹开还是吸附，而天文模拟显示，
碳基尘埃需要比较低的温度（70～80k）才能在天文环境中有效吸附水等分子，
而如果尘埃表面太干，没有其他分子填充则尘埃黏度小无法长大。最终呈现出来
的结果就是偏硅酸盐微粒逐渐长大形成原行星，碳基微粒无法有效长大最终随原
行星盘物质的蒸发等消失，所以地球上的硅含量才会远高于碳。
与原行星盘中的模拟类似，我们使用计算机模拟的方法通过建模来解释天文
观测的一些现象。在计算模型的过程中，绝大部分物质可以看作是流体，我们应
用流体力学的基本方程作描述，同时结合有限元法、流体力学中的 Riemann 问题
等重要方法问题。在大部分情况下，考虑到微观化学过程的必要性，还需要加入
复杂的热化学网络并以非平衡态进行计算模拟，最终才能取得较好的成功。
在计算模拟的编程工作中，我们应该要考虑 CPU 和 GPU 性能指标的不同来
分配不同的任务。CPU 拥有出色的运算速度，但是每次运行的数据量较少；GPU
运算速率较低，但可以同时处理更多的数据。所以可以将 CPU 比作战机，而将
GPU 比作客机。在编程中，需要灵活选用两种处理器处理数据的特点，可以提高
我们模拟的效率和准确性。
而通过计算模拟，我们可以了解很多难以直接观察的天文现象。例如原行星
盘中的光致蒸发等问题，还有部分难以解释的具有超大半径的超蓬松的系外行星
——计算模拟给出的结论是该种行星的尘埃被大气带出形成观测上的超大大气
半径。同时，借助相似的模拟，我们还能探究电池等应用体系的微观过程，寻求
跨学科联动的可能。