Новый подход к уравнениям Эйнштейна помогает понять, что было до Большого взрыва

Фото из открытых источников

Доказательства Большого взрыва неопровержимы, но мы не можем описать, что происходит при этом событии. Мы не можем точно назвать это мгновением; времени, каким мы его знаем, не существовало. Наша наука теряет смысл через долю секунды после того, как оно произошло. Уравнения просто не работают. Но что, если бы существовал способ расширить уравнения не только до предела, но и за его пределы? Именно это и пытаются сделать ученые в исследовании, опубликованном в журнале Living Reviews in Relativity.

Группа специалистов Института фундаментальных вопросов использует сложное компьютерное моделирование для численного решения уравнений Эйнштейна. Этот метод часто применяется для решения уравнений и задач, не имеющих обобщенного решения, например, знаменитой задачи трёх тел. Хотя теория относительности имеет точные решения в различных условиях и ситуациях, в крайних случаях она терпит неудачу. Именно поэтому она может стать важнейшим инструментом для выхода за пределы, в которых наука сейчас борется.

Численная теория относительности была впервые разработана в 1960-х и 70-х годах для решения вопроса о слиянии чёрных дыр и, в частности, об излучении гравитационных волн. Хотя теория относительности предсказала существование гравитационных волн, показать, какую форму примут эти волны, невозможно только на бумаге и ручке, независимо от того, насколько хорошо мы знаем уравнения Эйнштейна.

Через несколько недель исполнится 10 лет с момента первого обнаружения гравитационных волн, что показывает, что этот подход к теории относительности может успешно предсказывать результаты, когда мы не можем решить её точно. Так почему бы не использовать этот подход для решения других задач?

«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», — рассказал соавтор работы профессор Юджин Лим из Королевского колледжа Лондона.

Работа направлена на изучение Большого взрыва и периода, известного как космическая инфляция, который произошёл за долю секунды после зарождения Вселенной. Весь космос расширялся с невероятной скоростью.

Существование этого инфляционного периода необходимо для объяснения того, почему Вселенная примерно одинакова, куда бы мы ни посмотрели. Без него многое в нашем понимании Вселенной рассыпается. Проблема в том, что мы не знаем, что вызвало эту инфляцию. Именно здесь вступает в игру числовая относительность.

«Поскольку сама по себе инфляция не является полной теорией, а теорией, которая должна быть выведена из чего-то более фундаментального (выражаясь техническими терминами, мы называем инфляцию «эффективной теорией»)», — пояснил Лим.

Этот подход обладает потенциалом, и в случае гравитационных волн он себя оправдал. Численные решения задачи космической инфляции могут выявить условия или требования, которые могли бы указывать на поля, взаимодействия или свойства, выходящие за ожидаемые пределы нашей Вселенной. Несколько теорий, таких как циклическая Вселенная (Большой отскок) и несколько гипотез мультивселенной, выходят за пределы как пространства, так и времени нашей Вселенной. Если эти гипотезы верны, в этих решениях могут появиться доказательства.

Тем не менее, численная теория относительности — непростая задача. Иначе мы бы уже её решили. Тем не менее, благодаря прорывам в вычислительной технике суперкомпьютеры способны справиться с этой задачей, и работа над её решением сейчас идёт полным ходом.