Новый вычислительный метод может раскрыть тайны Вселенной до Большого взрыва

Сложные вычислительные методы могут решить космические загадки. Автор: Gabriel Fitzpatrick для FQxI, FQxI (2025)

Учёные часто утверждают, что вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, является «ненаучным» или «бессмысленным». Однако новая работа космолога Юджина Лима из Королевского колледжа Лондона (Великобритания) и астрофизиков Кэти Клаф из Лондонского университета королевы Марии и Джосу Ауррекоэчеа из Оксфордского университета, опубликованная в Living Reviews in Relativity, предлагает возможный путь решения: использование сложных компьютерных симуляций для численного (а не точного) решения уравнений Эйнштейна для гравитации в экстремальных условиях.

Команда утверждает, что численная теория относительности должна всё чаще применяться в космологии для исследования некоторых из самых больших вопросов Вселенной — включая то, что происходило до Большого взрыва, живём ли мы в мультивселенной, сталкивалась ли наша Вселенная с соседним космосом или проходила ли наша Вселенная через серию взрывов и сжатий.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитацию и движение космических объектов. Но если отмотать время достаточно далеко назад, вы обычно столкнётесь с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры — где законы физики перестают работать.

Космологи просто не могут решить уравнения Эйнштейна в таких экстремальных условиях — их обычные упрощающие предположения больше не работают. Та же тупиковая ситуация применима к объектам, связанным с сингулярностями или экстремальной гравитацией, таким как чёрные дыры.

Одной из проблем может быть то, что космологи принимают как должное. Они обычно предполагают, что Вселенная является «изотропной» и «однородной» — выглядящей одинаково во всех направлениях для каждого наблюдателя. Это очень хорошее приближение для Вселенной, которую мы видим вокруг себя, и оно делает возможным лёгкое решение уравнений Эйнштейна в большинстве космических сценариев. Но является ли это хорошим приближением для Вселенной во время Большого взрыва?

«Вы можете искать вокруг фонарного столба, но вы не можете выйти далеко за его пределы, где темно — вы просто не можете решить эти уравнения», — объясняет Лим. «Численная теория относительности позволяет вам исследовать области вдали от фонарного столба».

За пределами фонарного столба

Численная теория относительности была впервые предложена в 1960-х и 1970-х годах, чтобы попытаться выяснить, какие виды гравитационных волн (рябь в ткани пространства-времени) будут излучаться при столкновении и слиянии чёрных дыр. Это экстремальный сценарий, для которого невозможно решить уравнения Эйнштейна только с помощью бумаги и ручки — требуются сложные компьютерные коды и численные приближения.

Её развитие получило новый импульс, когда в 80-х годах был предложен эксперимент LIGO, хотя проблема была решена этим методом только в 2005 году, что вселило надежды на успешное применение метода и к другим загадкам.

Одной из давних загадок, которые особенно интересуют Лима, является космическая инфляция — период чрезвычайно быстрого расширения в ранней Вселенной. Инфляция изначально была предложена для объяснения того, почему Вселенная выглядит сегодня именно так, растягивая initially небольшой участок, чтобы Вселенная выглядела одинаково на огромном протяжении.

«Если у вас нет инфляции, многое рушится», — объясняет Лим. Но хотя инфляция помогает объяснить состояние Вселенной сегодня, никто не смог объяснить, как или почему молодая Вселенная пережила этот внезапный кратковременный всплеск роста.

Проблема в том, что для исследования этого с помощью уравнений Эйнштейна космологи должны предположить, что Вселенная изначально была однородной и изотропной — то, что инфляция должна была объяснить. Если вместо этого предположить, что она началась в другом состоянии, то «у вас нет симметрии, чтобы легко записать свои уравнения», — объясняет Лим.

Но численная теория относительности могла бы помочь нам обойти эту проблему — позволяя радикально разные начальные условия. Однако это не простая головоломка для решения, поскольку существует бесконечное число способов, каким могло быть пространство-время до инфляции. Поэтому Лим надеется использовать численную теорию относительности для проверки предсказаний, исходящих из более фундаментальных теорий, порождающих инфляцию, таких как теория струн.

Космические струны, сталкивающиеся вселенные

Есть и другие exciting перспективы. Физики могли бы использовать численную теорию относительности, чтобы попытаться выяснить, какие виды гравитационных волн могут генерироваться гипотетическими объектами, называемыми космическими струнами — длинными, тонкими «шрамами» в пространстве-времени — потенциально помогая подтвердить их существование. Они также могли бы предсказать сигнатуры или «синяки» на небе от столкновения нашей Вселенной с соседними вселенными (если они вообще существуют), что могло бы помочь нам проверить теорию мультивселенной.

Что особенно интересно, численная теория относительности также могла бы помочь reveal, существовала ли Вселенная до Большого взрыва. Возможно, космос является циклическим и проходит через «отскоки» от старых вселенных к новым — переживая repeated возрождения, большие взрывы и большие сжатия. Это очень сложная проблема для аналитического решения.

«Подпрыгивающие вселенные являются excellent примером, потому что они достигают сильной гравитации, где вы не можете полагаться на свои симметрии», — говорит Лим. «Несколько групп уже работают над ними — раньше никто не работал».

Симуляции численной теории относительности настолько сложны, что для их запуска требуются суперкомпьютеры. По мере совершенствования технологии этих машин мы можем ожидать значительного улучшения нашего понимания Вселенной. Лим надеется, что новая работа команды, в которой излагаются методы и преимущества численной теории относительности, в конечном итоге поможет исследователям из разных областей быстро освоить метод.

«Мы надеемся actually развить это overlap между космологией и численной теорией относительности, чтобы numerical релятивисты, заинтересованные в использовании своих techniques для исследования космологических проблем, могли двигаться вперёд и делать это», — говорит Лим, добавляя: «а космологи, заинтересованные в решении некоторых вопросов, которые они не могут решить, могли бы использовать численную теорию относительности».

Больше информации: Josu C. Aurrekoetxea et al, Cosmology using numerical relativity, Living Reviews in Relativity (2025). DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z