Учёные из Великобритании предлагают новый способ заглянуть за пределы Большого взрыва и исследовать космос в условиях, где привычные законы физики перестают работать. Космолог Юджин Лим из Королевского колледжа Лондона вместе с астрофизиками Кэти Клаф (Лондонский университет Куин Мэри) и Хосу Ауррекоэтксией (Оксфордский университет) опубликовали статью, в которой описали возможности применения численной относительности для решения фундаментальных задач космологии.
Классическая общая теория относительности описывает гравитацию и движение тел во Вселенной, но при попытке «отмотать» её законы до момента рождения космоса исследователи сталкиваются с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры, где уравнения перестают иметь смысл. Обычно, чтобы сделать задачу решаемой, космологи предполагают, что Вселенная однородна и изотропна, то есть выглядит одинаково в любом направлении. Это приближение работает для нашего нынешнего космоса, но далеко не факт, что оно было справедливым в первые мгновения его существования.
Именно здесь на помощь может прийти численная относительность — метод, который не ищет точное аналитическое решение, а использует вычислительные модели и суперкомпьютеры для приближённых расчётов. Такой подход возник ещё в 1960–1970-е годы для прогнозирования гравитационных волн при столкновении чёрных дыр, но по-настоящему начал развиваться лишь в начале XXI века, когда стал необходим для эксперимента LIGO. Теперь исследователи хотят перенести этот опыт в космологию, чтобы смоделировать сценарии, недоступные «бумажным» вычислениям.
Один из главных вопросов, который можно прояснить с помощью численной относительности, — это космическая инфляция . Этот период стремительного расширения ранней Вселенной объясняет, почему сегодня космос выглядит однородным на гигантских масштабах. Но парадокс в том, что для расчётов инфляции приходится исходить из предположения, что начальная Вселенная уже была однородной. Если отказаться от этого допущения, стандартные уравнения теряют симметрию и становятся нерешаемыми. Компьютерное моделирование позволяет рассмотреть самые разные начальные условия и проверить, какие из теорий — например, основанные на струнной физике — действительно предсказывают инфляцию.
Перспективы применения метода выходят далеко за пределы инфляционной теории. Учёные надеются, что численная относительность поможет проверить гипотезы о космических струнах — гипотетических дефектах пространства-времени, которые могли бы оставлять следы в виде гравитационных волн. Ещё одна возможность — поиск «синяков» на небе, которые могли бы указывать на столкновение нашей Вселенной с соседними космосами, если идея мультивселенной окажется верной.
Не менее важна гипотеза «отскакивающих» вселенных, где Большой взрыв — это не начало всего, а очередной цикл рождений и коллапсов. В такие моменты гравитация достигает экстремальной силы, и привычные симметрии перестают работать, но именно здесь численные методы могут дать ответы. Лим отмечает, что ещё недавно такие задачи считались непосильными, но сегодня всё больше исследовательских групп уже ведут расчёты в этом направлении.
Сложность заключается в колоссальных ресурсах: моделирование требует суперкомпьютеров и огромных вычислительных мощностей. Однако развитие технологий открывает перспективу, что в ближайшие годы такие симуляции смогут дать более ясные ответы о том, что происходило до Большого взрыва, существовали ли предыдущие циклы космоса, и может ли наша Вселенная быть лишь частью куда большего ансамбля.
Авторы статьи рассчитывают, что их работа поможет сблизить специалистов по численной относительности и космологов: первые получат новые задачи для применения своих методов, а вторые — возможность исследовать вопросы, которые долгое время считались недостижимыми.