Нам часто говорят, что спрашивать о том, что было до Большого взрыва, «ненаучно» или «бессмысленно». Однако в новой статье космолога FQxI Юджина Лима из Королевского колледжа Лондона (Великобритания) и астрофизиков Кэти Клаф из Лондонского университета королевы Марии (Великобритания) и Хосу Аррекоэтчеа из Оксфордского университета (Великобритания), опубликованной в [Living Reviews in Relativity](https://link.springer.com/article/10.1007/s41114-025-00058-z), предлагается способ решения этой проблемы: использование сложных компьютерных симуляций для численного (а не точного) решения уравнений Эйнштейна для гравитации в экстремальных ситуациях.
Команда утверждает, что численную относительность следует всё чаще применять 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 соседней или проходила ли она через серию взрывов и сжатий.
Уравнения общей теории относительности Эйнштейна
Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитацию и движение космических объектов. Но если отмотать часы достаточно далеко, вы обычно столкнётесь с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры, где законы физики рушатся.
Космологи просто не могут решить уравнения Эйнштейна в таких экстремальных условиях — их обычные упрощающие допущения больше не действуют. То же самое относится и к объектам, связанным с сингулярностями или экстремальной гравитацией, таким как чёрные дыры.
Одно из допущений космологов
Одно из допущений космологов состоит в том, что Вселенная «изотропна» и «однородна» — выглядит одинаково во всех направлениях для каждого наблюдателя. Это очень хорошее приближение для Вселенной, которую мы видим вокруг себя, и оно позволяет легко решать уравнения Эйнштейна в большинстве космических сценариев. Но является ли это хорошим приближением для Вселенной во время Большого взрыва?
«Вы можете искать под фонарём, но не можете уйти далеко за пределы фонарного столба, где темно — вы просто не можете решить эти уравнения», — объясняет Лим. «Численная относительность позволяет вам исследовать регионы вдали от фонарного столба».
Численная относительность была впервые предложена в 1960-х и 1970-х годах, чтобы попытаться выяснить, какие виды гравитационных волн (рябь в ткани пространства-времени) будут излучаться, если чёрные дыры столкнутся и сольются. Это экстремальный сценарий, для которого невозможно решить уравнения Эйнштейна с помощью бумаги и ручки — требуются сложные компьютерные коды и численные приближения.
Развитие численной относительности
Её развитие получило новый импульс, когда в 80-х годах был предложен эксперимент LIGO, хотя проблема была решена таким образом только в 2005 году, что вселяло надежду на то, что метод может быть успешно применён и к другим задачам.
Одной из давних загадок, которая особенно волнует Лима, является космическая инфляция — период чрезвычайно быстрого расширения в ранней Вселенной. Инфляция была первоначально предложена для объяснения того, почему Вселенная выглядит так, как выглядит сегодня, растягивая изначально небольшой участок, чтобы Вселенная выглядела похожей на обширном пространстве.
«Если у вас нет инфляции, многое развалится», — объясняет Лим. Но хотя инфляция помогает объяснить состояние Вселенной сегодня, никто не смог объяснить, как и почему у новорождённой Вселенной был этот внезапный кратковременный всплеск роста.
Проблема в том, что для исследования этого вопроса 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 не будет симметрии, чтобы легко записать свои уравнения», — объясняет Лим.
Но численная относительность может помочь нам обойти эту проблему — позволяя радикально отличающиеся начальные условия. Однако это непростая задача, поскольку существует бесконечное число способов, которыми пространство-время могло быть до инфляции. Лим надеется использовать численную относительность для проверки предсказаний, исходящих из более фундаментальных теорий, которые генерируют инфляцию, таких как теория струн.
Физики также могут использовать численную относительность, чтобы попытаться выяснить, какие виды гравитационных волн могут быть порождены гипотетическими объектами, называемыми космическими струнами — длинными тонкими «шрамами» в пространстве-времени, что потенциально может помочь подтвердить их существование. Они также могут предсказывать «синяки» на небе от столкновения нашей Вселенной с соседними (если они вообще существуют), что может помочь нам проверить теорию мультивселенной.
Численная относительность также может помочь выявить, существовала ли Вселенная до Большого взрыва. Возможно, космос цикличен и переходит от старых вселенных к новым — переживает повторяющиеся возрождения, большие взрывы и большие сжатия. Это очень сложная задача для аналитического решения.
«Отскочившие вселенные — отличный пример, потому что они достигают сильной гравитации, где вы не можете полагаться на свои симметрии», — говорит Лим. «Несколько групп уже работают над ними — раньше этого никто не делал».
Симуляции численной относительности настолько сложны, что для их проведения требуются суперкомпьютеры. По мере совершенствования технологий этих машин мы можем ожидать значительного улучшения в нашем понимании Вселенной. Лим надеется, что новая статья команды, в которой излагаются методы и преимущества численной относительности, в конечном итоге поможет исследователям из разных областей.
«Мы надеемся на самом деле развить это пересечение между космологией и численной относительностью, чтобы релятивисты, заинтересованные в использовании своих методов для исследования космологических проблем, могли пойти дальше и сделать это», — говорит Лим, добавляя: «и космологи, заинтересованные в решении некоторых вопросов, которые они не могут решить, могут использовать численную относительность».