За гранью Большого взрыва: как численное моделирование открывает двери в непознанное
Годами вопрос о том, что же было до Большого взрыва, считался уделом теологов и философов, территорией, куда наука, казалось, не в силах ступить. Сама формулировка вопроса объявлялась ненаучной, поскольку время и пространство, как мы их знаем, родились вместе с нашим миром в момент сингулярности. Однако группа космологов во главе с Юджином Лимом из Королевского колледжа Лондона бросает вызов этому догмату. В своей новаторской статье, опубликованной в журнале Living Reviews in Relativity, они предлагают революционный подход, способный пролить свет на самые темные и загадочные эпохи существования Вселенной. Их инструмент — не абстрактная математика, а мощь суперкомпьютеров и численного моделирования, позволяющая впервые заглянуть в пропасть до начала времен.
Традиционно космология полагается на аналитические решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Эти уравнения блестяще описывают гравитацию и эволюцию Вселенной, но упираются в непреодолимый барьер — сингулярность. Если мы мысленно отмотаем время назад к моменту Большого взрыва, мы достигнем состояния с бесконечной плотностью и температурой, где сами законы физики теряют всякий смысл.
Чтобы обойти эту проблему и все же найти решение уравнений, ученые вынуждены делать фундаментальное упрощение: они предполагают, что Вселенная однородна и изотропна, то есть выглядит одинаково во всех точках и во всех направлениях. Это предположение прекрасно работает для современной, крупномасштабной Вселенной, но является ли оно верным для тех немыслимо экстремальных условий, что царили в самые первые мгновения ее жизни? Юджин Лим образно сравнивает этот метод с поиском ключей под фонарным столбом просто потому, что там светлее, в то время как ответы на главные вопросы могут лежать в окружающей темноте.
Именно для исследования этих «темных» областей и предлагается использовать численную теорию относительности. Этот метод, зародившийся еще в 1960-х годах, не ставит целью найти точное математическое решение. Вместо этого он использует сложные компьютерные алгоритмы для построения численных приближений, шаг за шагом моделируя поведение пространства-времени в самых суровых условиях. Свою эффективность подход доказал, предсказав форму гравитационных волн от столкновений черных дыр, что позже было блестяще подтверждено обсерваторией LIGO. Теперь же ученые намерены применить этот мощный инструмент к космологическим загадкам.
Одной из таких загадок является природа космической инфляции — гипотетического периода сверхбыстрого расширения новорожденной Вселенной. Парадокс современной космологии заключается в том, что инфляция была предложена для объяснения однородности нашей Вселенной, однако для своих расчетов сама теория инфляции вынуждена исходить из предположения изначальной однородности. Это создает логический круг. Численная теория относительности позволяет его разорвать, так как она способна работать с любыми, даже самыми хаотичными и асимметричными начальными условиями. Это открывает путь для проверки предсказаний более фундаментальных теорий, таких как теория струн, и о том, как и почему вообще началась инфляция.
И, что самое интригующее, численное моделирование дает надежду ответить на вопрос, который долгое время считался табу. Существовало ли что-то до Большого взрыва?
Возможно, наша Вселенная является частью бесконечного цикла «отскоков», где Большое сжатие одной вселенной становится Большим взрывом для следующей. Аналитически решить уравнения для такой модели практически невозможно, но численная теория относительности, не страшащаяся сингулярностей и экстремальной гравитации, — идеальный инструмент для ее исследования.
Таким образом, новая работа ученых — это не просто техническое руководство, а своего рода манифест, призыв к научному сообществу. Он знаменует собой рождение новой междисциплинарной области на стыке космологии и вычислительной физики. Путь предстоит сложный, требующий колоссальных вычислительных мощностей и изобретательности, но награда неизмерима — возможность составить первую в истории науки карту тех земель, что лежат по ту сторону Большого взрыва, и возможно, окончательно стереть грань между «ненаучным» вопросом и научным открытием.