Большой взрыв, произошедший 13,8 миллиарда лет назад, традиционно рассматривается как «нулевая» точка времени и пространства. Однако возникает вопрос — что могло быть до этого события, в «отрицательном» времени. Ответ может дать численная теория относительности.
Существует мнение, что задавать вопрос о том, что предшествовало Большому взрыву, «ненаучно» или «бессмысленно». Тем не менее, в новой статье Юджина Лима, космолога из Королевского колледжа Лондона, а также астрофизиков Кэти Клаф и Джосу Ауррекоэтксеа, опубликованной в журнале Living Reviews in Relativity, предложен новый подход: применение сложного компьютерного моделирования для численного (не точного) решения уравнений Эйнштейна в экстремальных условиях.
Исследователи утверждают, что численная теория относительности должна все активнее использоваться в космологии для изучения ключевых вопросов эволюции Вселенной, включая то, что происходило до Большого взрыва. Только с её помощью можно в конечном итоге понять, живем ли мы в мультивселенной, пересекалась ли наша Вселенная с соседними мирами или переживает бесконечные циклы взрывов, расширений и сжатий.
Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитацию и движение космических объектов. Однако, если отмотать время назад достаточно далеко, можно столкнуться с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры, где традиционные физические законы перестают действовать.
Космологи сталкиваются с трудностями в решении уравнений Эйнштейна в таких экстремальных условиях — их привычные упрощения больше не работают. Аналогичный тупик возникает при исследовании объектов, связанных с сингулярностями или экстремальной гравитацией, например, черных дыр.
Одна из проблем заключается в том, что космологи предполагают, что Вселенная «изотропна» и «однородна» — то есть выглядит одинаково во всех направлениях для каждого наблюдателя. Это удачное приближение для наблюдаемой Вселенной и позволяет относительно легко решать уравнения Эйнштейна в большинстве космических сценариев. Однако является ли это «хорошим приближением» для Вселенной в момент Большого взрыва?
По словам Юджина Лима, можно искать вокруг фонарного столба, но нельзя выйти далеко за его пределы, где темно — там привычные уравнения становится сложно решить. Численная теория относительности позволяет исследовать области, находящиеся за пределами видимого.
За пределами фонарного столба
Численная теория относительности была впервые предложена в 1960-х годах. С ее помощью теоретические физики пытались выяснить, какие типы гравитационных волн (колебаний в структуре пространства-времени) будут возникать при столкновении и слиянии черных дыр. Это экстремальный случай, для которого невозможно решить уравнения Эйнштейна только с помощью простых методов — требуются сложные компьютерные программы и численные приближения.
Интерес к теории возобновился в 80-х годах, когда был запущен эксперимент LIGO, направленный на улавливание гравитационных волн. В 2005 году ученые предположили, что этот метод можно будет успешно применять и для решения других задач.