由于宇宙在不断膨胀，物质能量密度也就越来越稀疏，最终炽热的原初火球逐渐冷却了下来，宇宙也进入了黑暗时期（Dark Ages）。伴随气体的凝聚，恒星和星系开始形成，宇宙再次被电离。没有了中性氢的阻挡，光子自由地在宇宙空间中穿行，又经过130亿年的时间，宇宙终于演化到了今天。

　　图3. 宇宙演化的历史。左侧代表宇宙的起点，向右是时间流逝的方向。大爆炸火球的余晖之后，恒星和星系点亮宇宙之前，宇宙进入黑暗时期。人们发现宇宙目前正处于加速膨胀之中，这可能说明存在标准理论之外的能量组分——暗能量。（图片来源：）

　　宇宙早期残留下的这些高高低低的密度涨落，就是未来宇宙大尺度物质结构的种子。也是宇宙学数值模拟的入口，通常我们就是从大爆炸之后的1~2千万年左右开始（红移 z≈100）模拟的，那时宇宙的大小只有现在的百分之一左右。

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　　宇宙结构的增长

　　明确了宇宙结构的种子，我们还需要了解控制结构演化行为的第二个因素——动力学。世界上有四种力，强相互作用和弱相互作用都是短程力，所以能在大尺度上起作用的只有电磁力和引力。通常电磁力要比引力强很多倍，但是宇宙不存在显著的净电荷或者净电流，所以电磁力在结构演化中也不重要，担当宇宙结构演化的主角的必然是引力。

　　按照广义相对论所言，引力在本质上是时空的弯曲，对于宇宙来说时空的弯曲可以理解成整体和局部两个部分。整体部分就是宇宙空间整体上在膨胀，这是有宇宙的全部物质能量共同决定的。具体来说就是，宇宙的物质能量包含暗能量、暗物质、重子物质和辐射四类组分。暗能量使得宇宙加速膨胀，我们虽然还不知道暗能量的本质，但是对于通常的模型在合理的假设下，它是无法形成明显的结构的。

　　辐射指的是类似光子或者中微子这样以接近光速运动的能量物质。它们速度太快，不会被束缚在局部引力场中，直播，所以辐射也不会形成明显的结构。那么时空局部的弯曲实际上就决定于暗物质和重子的分布。

　　原则上时空的弯曲需要依据广义相对论来计算，但是如此大规模的数值相对论的复杂度是现代计算机能力所无法做到承受的。幸运的是，万有引力是广义相对论的弱场近似，而牛顿力学在太阳系内的应用已经常准确，因此，同样可以把它应用到比太阳系更加稀薄的宇宙空间（也就是更弱的引力场）。

　　宇宙密度的演化有两个互相竞争的过程：（1）宇宙膨胀带来的“减速”，想象一个不开推进器的飞船朝向目标前进，由于目标被宇宙膨胀拉得越来越远了，所以相对于这个参考点来说就是飞船的速度是“变慢了”；（2）物质间的引力，飞船会被物质密度高的地方（高于宇宙背景）吸引，反过来说就是被物质密度低于宇宙背景的地方“排斥”。

　　所以宇宙中的结构会在初始结构种子的基础上，在引力的作用之下，高密度的地方变得更加密集，低密度的地方变得更为稀疏（非常类似于人口流动：“有吸引力的地方变得更密集，而荒芜的地方变得更荒芜”），所以宇宙结构的演化是一个不断“增长”的过程。

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　　计算机中的宇宙

　　根据这些分析，我们就可以开始模拟一个宇宙了。

　　（1）由于光速的限制，我们所观测到的永远是这个宇宙（即便你相信多重宇宙存在）中的一部分，而且很可能是其中很小的部分。所以我们可以取一个方盒子，其中盛入一部分宇宙。这个盒子必须足够大（比如几百Mpc以上，1 Mpc≈326万光年），这样才能代表宇宙的整体。如果盒子中的物质流出去怎么办？只要周期性地把流出的部分从盒子的另一边流回来，就能保证总的质量守恒。但是有一个问题，我们选取的这个盒子里的结构并不会碰巧与我们周围的宇宙一致（这个问题是内在的，原因在于初始条件信息的不完备）。即便如此，这样的模拟依然是有意义的，因为宇宙学原理告诉我们，在不同的地方宇宙的统计性质是一样的。也就是说，我们虽然造不出一模一样的银河系和太阳，但是我们不难在盒子里找到一些相似的对应物。

　　（2）我们只要模拟物质就够了（因为暗能量和辐射都是不形成结构的），为了描述物质的分布，通常有两种方法，一种是把模拟的盒子分成网格，网格上计算能量、密度、速度场等等信息，演化遵守宇宙学框架下的流体力学；一种方法是把宇宙全部的质量分成一些粒子，每个粒子遵守膨胀空间的万有引力，也就是宇宙学N体模拟。后一种方法更为普遍一些。这是因为我们关心的尺度通常从上千万光年到几千光年甚至更小，而计算的分辨率是按照最小的尺度来决定的（动态范围太大），而粒子位置的精度是很容易达到这个范围的（单精度的计算也能覆盖100万倍的动态范围），同时粒子数的守恒就天然保证总质量的守恒，这也是个很大的优势。