|
Что произошло до Большого взрыва
|
|
|
|
Нам часто говорят, что спрашивать о том, что происходило до Большого взрыва, "ненаучно" или "бессмысленно". Но новая статья космолога FQXi Юджина Лима из Королевского колледжа Лондона, Великобритания, и астрофизиков Кэти Клаф из Лондонского университета Королевы Марии, Великобритания, и Джозу Ауррекоэтчеа из Оксфордского университета, Великобритания, опубликованная в журнале Living Reviews in Relativity, предлагает путь вперед: используя сложное компьютерное моделирование, численно рассчитать (скорее, чем точно) решите уравнения Эйнштейна для гравитации в экстремальных ситуациях.
|
|
|
|
Команда утверждает, что численная теория относительности должна все шире применяться в космологии для изучения некоторых важнейших вопросов Вселенной, включая то, что происходило до Большого взрыва, живем ли мы в мультивселенной, столкнулась ли наша вселенная с соседним космосом, или же наша вселенная прошла через серию взрывов и сотрясений.
|
|
|
|
Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитацию и движение космических объектов. Но если перевести стрелки часов достаточно далеко назад, то вы, как правило, столкнетесь с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры, при котором законы физики теряют силу.
|
|
|
|
Космологи просто не могут решить уравнения Эйнштейна в таких экстремальных условиях — их обычные упрощающие допущения больше не работают. И тот же тупик применим к объектам, связанным с сингулярностями или экстремальной гравитацией, таким как черные дыры.
|
|
|
|
|
|
|
Одной из проблем может быть то, что космологи считают само собой разумеющимся. Обычно они предполагают, 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 которое позволяет легко решать уравнения Эйнштейна в большинстве космических сценариев. Но является ли это хорошим приближением для вселенной во время Большого взрыва?
|
|
|
|
"Вы можете поискать вокруг фонарного столба, но вы не сможете выйти далеко за пределы фонарного столба, где темно, — вы просто не сможете решить эти уравнения", - объясняет Лим. "Численная теория относительности позволяет вам исследовать области, удаленные от фонарного столба".
|
|
За фонарным столбом
|
|
|
|
Численная теория относительности была впервые предложена в 1960-х и 1970-х годах, чтобы попытаться выяснить, какие виды гравитационных волн (рябь в ткани пространства-времени) будут испускаться при столкновении и слиянии черных дыр. Это экстремальный сценарий, при котором невозможно решить уравнения Эйнштейна только с помощью бумаги и ручки — требуется сложный компьютерный код и численные аппроксимации.
|
|
|
|
Его разработка получила новое развитие, когда в 80-х годах был предложен эксперимент LIGO, хотя проблема была решена таким образом только в 2005 году, что вселило надежду на то, что этот метод может быть успешно применен и к другим головоломкам.
|
|
|
|
Одна из давних загадок, которая особенно волнует Лима, - это космическая инфляция, период чрезвычайно быстрого расширения ранней Вселенной. Первоначально предполагалось, что инфляция объясняет, почему Вселенная выглядит так, как она выглядит сегодня, растягиваясь на изначально небольшом участке, так что Вселенная выглядит одинаково на огромном пространстве.
|
|
|
|
"Если нет инфляции, многое рушится", - объясняет Лим. Но, хотя инфляция помогает объяснить состояние Вселенной сегодня, никто не смог объяснить, как и почему во вселенной-младенце произошел этот внезапный кратковременный скачок роста.
|
|
|
|
Проблема в том, что для того, чтобы исследовать это с помощью уравнений Эйнштейна, космологи должны предположить, что Вселенная изначально была однородной и изотропной — именно это и должна была объяснить инфляция. Если вместо этого вы предполагаете, что все началось в другом состоянии, то "у вас недостаточно симметрии, чтобы легко записать свои уравнения", - объясняет Лим.
|
|
|
|
Но численная теория относительности могла бы помочь нам обойти эту проблему, допуская радикально отличающиеся начальные условия. Однако решить эту головоломку непросто, поскольку существует бесконечное количество вариантов того, каким могло быть пространство-время до инфляции. Поэтому Лим надеется использовать численную теорию относительности для проверки предсказаний, исходящих из более фундаментальных теорий, которые порождают инфляцию, таких как теория струн.
|
|
|
|
Космические струны, сталкивающиеся вселенные
|
|
|
|
Есть и другие захватывающие перспективы. Физики могли бы использовать численную теорию относительности, чтобы попытаться выяснить, какие гравитационные волны могут генерироваться гипотетическими объектами, называемыми космическими струнами — длинными тонкими "шрамами" в пространстве–времени, - что потенциально помогло бы подтвердить их существование. Они также могли бы предсказать следы, или "синяки", на небе от столкновений нашей вселенной с соседними вселенными (если они вообще существуют), что могло бы помочь нам проверить теорию мультивселенной.
|
|
|
|
Интересно, что численная теория относительности также может помочь выяснить, существовала ли вселенная до Большого взрыва. Возможно, космос цикличен и совершает "прыжки" из старых вселенных в новые, испытывая повторяющиеся перерождения, большие взрывы и сильные разрушения. Эту проблему очень сложно решить аналитически.
|
|
|
|
"Прыгающие вселенные - отличный пример, потому что они достигают сильной гравитации, когда вы не можете полагаться на свои симметрии", - говорит Лим. "Несколько групп уже работают над этим — раньше никто не занимался этим".
|
|
|
|
Численное моделирование в области теории относительности настолько сложно, что для его проведения требуются суперкомпьютеры. По мере совершенствования технологии этих машин мы можем ожидать значительного улучшения нашего понимания Вселенной. Лим надеется, что новая работа команды, в которой описываются методы и преимущества численной теории относительности, в конечном итоге поможет ускорить работу исследователей в различных областях.
|
|
|
|
"Мы надеемся на самом деле развить это совпадение между космологией и численной теорией относительности, чтобы численные релятивисты, которые заинтересованы в использовании своих методов для изучения космологических проблем, могли пойти дальше и сделать это", - говорит Лим, добавляя: "А космологи, которые заинтересованы в решении некоторых вопросов, которые они не могут решить, могут использовать численные методы". теория относительности."
|
|
|
|
Источник
|
