Что было до Большого взрыва? Численный метод позволяет ученым заглянуть за «стену времени»

Вопрос «Что было до Большого взрыва?» всегда звучал как интеллектуальная провокация. На протяжении десятилетий он находился на границе между физикой и философией. Космологи часто отвечали, что сам вопрос лишён смысла: если время и пространство родились в момент Большого взрыва, то никакого «до» просто не существовало. Это была непреодолимая стена, за которую наш главный инструмент — общая теория относительности Эйнштейна — заглянуть не мог.

Но что, если стена не так прочна, как кажется? Новое исследование группы космологов из Великобритании предполагает, что у нас наконец появился инструмент, способный пробить в ней брешь. И этот инструмент — не гениальная формула, написанная на доске, а колоссальная вычислительная мощь суперкомпьютеров. Учёные предлагают применить метод, известный как численная относительность, чтобы отправиться в путешествие к самым истокам времени.

Под светом фонаря: почему старые методы не работают

Чтобы понять, в чём прорыв, нужно сначала разобраться, почему мы вообще застряли. Уравнения Эйнштейна блестяще описывают гравитацию, от падения яблока до движения галактик. Но у них есть предел. Когда мы пытаемся применить их к точке Большого взрыва, мы получаем сингулярность — состояние с бесконечной плотностью и температурой, где математика просто «ломается». Законы физики, какими мы их знаем, перестают работать.

Чтобы обойти эту проблему, космологи пошли на хитрость. Они сделали два очень удобных допущения: что Вселенная однородна (материя в ней распределена равномерно) и изотропна (она выглядит одинаково, в какую сторону ни посмотри). Для нашей современной Вселенной в больших масштабах это почти правда, и такое упрощение позволяет решать уравнения Эйнштейна легко и изящно.

Проблема в том, что мы ищем ответ в самом тёмном и неизведанном месте — в моменте зарождения космоса. А что, если новорождённая Вселенная не была такой идеальной и гладкой? Один из авторов исследования, Юджин Лим, сравнивает эту ситуацию с поиском ключей под фонарным столбом — не потому, что вы их там потеряли, а потому, что только там светло. Численная относительность же предлагает способ заглянуть в темноту.

Цифровая отмычка для уравнений Эйнштейна

Так что же это за метод? Численная относительность — это, по сути, способ решить уравнения Эйнштейна «грубой силой» там, где аналитический подход бессилен. Вместо того чтобы выводить одну элегантную формулу, учёные разбивают пространство-время на крошечную сетку и заставляют суперкомпьютер шаг за шагом просчитывать, как гравитация ведёт себя в каждой точке.

Этот подход не нов. Его начали разрабатывать ещё в 1960-х для другой нерешаемой задачи — предсказания гравитационных волн от слияния чёрных дыр. Десятилетия ушли на отладку кода, и триумф наступил в 2005 году. А когда в 2015 году детекторы LIGO впервые поймали гравитационные волны от такого слияния, оказалось, что сигналы идеально совпали с предсказаниями численных моделей. Это доказало: метод работает.

Теперь та же самая «цифровая отмычка» готова взяться за тайну рождения Вселенной.

Переписывая первую секунду: загадка инфляции

Одна из главных целей — разгадать тайну космической инфляции. Это гипотетический период сверхбыстрого расширения в первую долю секунды после Большого взрыва. Инфляция brilliantly объясняет, почему наша Вселенная такая большая и гладкая. Но у неё есть логическая загвоздка: чтобы объяснить, почему Вселенная стала однородной, теории инфляции, как правило, уже предполагают, что она начиналась в достаточно простом и однородном состоянии. Получается замкнутый круг.

Численная относительность позволяет этот круг разорвать. Учёные могут задать в симуляции любые, самые хаотичные и «некрасивые» начальные условия — комковатое, асимметричное пространство-время — и посмотреть, сможет ли инфляция всё равно запуститься и «разгладить» Вселенную до того состояния, которое мы наблюдаем сегодня. Это уже не предположение, а полноценный цифровой эксперимент.

Космические шрамы и эхо других миров

Возможности численной относительности простираются далеко за пределы первого мгновения. Вот лишь несколько захватывающих направлений, которые она открывает:

• Цикличная Вселенная. А что, если Большой взрыв был не началом, а лишь одним из эпизодов в бесконечном цикле «сжатий» и «отскоков»? Идея о том, что наша Вселенная родилась из пепла предыдущей, невероятно сложна для аналитического расчёта. Но для суперкомпьютера, моделирующего экстремальную гравитацию в момент «отскока», это вполне посильная задача.
• Столкновение вселенных. Если верна теория мультивселенной, наш мир может быть лишь одним из множества «пузырей». Что произойдёт, если наш пузырь столкнётся с соседним? Численное моделирование может предсказать, какие следы — своего рода «космические синяки» — такое событие оставило бы на реликтовом излучении, древнейшем свете Вселенной.
• Космические струны. Некоторые теории предсказывают существование гипотетических объектов — тончайших «шрамов» в ткани пространства-времени, оставшихся с первых мгновений после Большого взрыва. Численная относительность поможет рассчитать, какие уникальные гравитационные волны они должны испускать, давая астрономам подсказку, что именно искать.

Это уже не просто теоретизирование. Это создание конкретных, проверяемых предсказаний.

Новая эра в космологии

Статья команды Лима, Клаф и Ауррекоэчеа — это не столько отчёт о конкретном открытии, сколько манифест, призывающий объединить усилия теоретиков-космологов и специалистов по численным расчётам. Долгое время эти две области развивались параллельно. Теперь же их слияние обещает революцию.

Мы вступаем в эру, когда самые глубокие вопросы о природе реальности становятся вычислительными задачами. Возможно, ответ на вопрос «Что было до Большого взрыва?» мы получим не из элегантного уравнения, а из терабайтов данных, обработанных суперкомпьютером. И пусть это звучит не так романтично, как озарение одинокого гения, но это открывает перед нами горизонты, о которых раньше можно было только мечтать. Запретный вопрос становится рабочим проектом.