За пределами известного: как численные методы могут выявить опасные истины о космосе

Когда мы говорим о начале Вселенной, возникает множество вопросов. Как именно произошел Большой взрыв? Что происходило в тот момент, когда время, как мы его понимаем, еще не существовало? Научное сообщество сталкивается с трудностями в объяснении этого явления, поскольку уравнения физики теряют свою силу в первые мгновения после взрыва. Однако, что если бы существовал способ расширить эти уравнения, чтобы они охватывали не только известные пределы, но и то, что за ними? Именно эту задачу ставят перед собой ученые в своем исследовании, опубликованном в журнале Living Reviews in Relativity.

Группа специалистов из Института фундаментальных вопросов использует сложные компьютерные модели для численного решения уравнений Эйнштейна. Этот метод применяется для решения задач, которые не имеют универсального решения, таких как знаменитая задача трёх тел. Хотя теория относительности предлагает точные решения в определенных условиях, в крайних случаях она оказывается недостаточной. Поэтому исследователи надеются, что этот метод поможет выйти за рамки того, что наука в настоящее время не может объяснить.

Открытие гравитационных волн

Численная теория относительности начала развиваться в 1960-х и 70-х годах, когда ученые стремились понять слияние черных дыр и, в частности, излучение гравитационных волн. Несмотря на то что теория относительности предсказала существование этих волн, их форма не может быть описана лишь на бумаге, независимо от того, насколько хорошо мы знаем уравнения Эйнштейна. В этом контексте через несколько недель мы отметим десятилетие с момента первого обнаружения гравитационных волн, что подчеркивает успешность данного подхода к теории относительности.

Профессор Юджин Лим из Королевского колледжа Лондона, соавтор работы, отметил:

"Меня больше всего воодушевляет возможность использования численной теории относительности для исследования того, как начался Большой взрыв, и того, как ее можно использовать для решения некоторых давних проблем в теории струн".

Исследование направлено на изучение как самого Большого взрыва, так и периода космической инфляции, который произошел за долю секунды после его возникновения.

В этот момент весь космос расширялся с невероятной скоростью. Существование инфляционного периода необходимо для объяснения того, почему Вселенная выглядит примерно одинаково в любом направлении. Без этого периода многое из нашего понимания Вселенной начинает распадаться. Однако, что именно вызвало эту инфляцию, до сих пор остается загадкой, и именно здесь на помощь приходит численная относительность.

"Поскольку сама по себе инфляция не является полной теорией, а теорией, которая должна быть выведена из чего-то более фундаментального, мы называем инфляцию "эффективной теорией", — пояснил профессор Лим.

Этот подход имеет огромный потенциал. Численные решения задачи космической инфляции могут выявить условия или требования, которые указывают на поля, взаимодействия или свойства, выходящие за пределы нашего понимания.

Некоторые теории, такие как циклическая Вселенная (Большой отскок) и гипотезы мультивселенной, предполагают существование реальностей, которые выходят за границы нашего пространства и времени. Если эти гипотезы верны, в численных решениях могут появиться доказательства.

Тем не менее, работа с численной теорией относительности — это сложная задача. Если бы это было просто, мы бы уже давно нашли решение. Но благодаря достижениям в вычислительной технике, суперкомпьютеры теперь могут справляться с этой задачей, и работа над ее решением активно продолжается.