Суперкомпютър тества всички теории за началото на Вселената. Някои отпадат

С помощта на суперкомпютърни симулации, основани на теорията на относителността на Айнщайн, група изследователи тестват сценарии за това, което може да е предшествало Големия взрив.

Тези симулации не могат да дадат окончателни отговори, но разкриват кои космологични модели са математически възможни.

Сценариите в ранната вселена включват хаотични сингулярности, отскачащи вселени и сблъсъци на браните с по-високи измерения.

В продължение на десетилетия Големият взрив се смята за отправна точка за нашата вселена: моментът, в който са се появили пространството, времето, материята и енергията. И все пак учените отдавна се питат дали това наистина е началото на всичко или просто поредната глава в една по-голяма космическа история. Благодарение на напредъка в суперкомпютрите, изследователите започват да подлагат на проверка тези някога умозрителни идеи.

Нова статия, публикувана в Living Reviews in Relativity, чийто автори са британските физици Йосу Аурекоецеа (Josu Aurrekoetxea), Кейти Клъф (Katy Clough) и Юджийн Лим (Eugene A. Lim), изследва как тези методи променят дългогодишните дебати за произхода, еволюцията и съдбата на Вселената.

Вместо да разчитат единствено на уравнения на хартия или опростени модели, изследователите въвеждат законите на физиката в дигитални експерименти, наблюдавайки как цели вселени се разиграват на екрана.

Окончателен отговор все още няма. Но учените могат да проверят кои смели идеи оцеляват при контакт с уравненията на Айнщайн и кои се сриват под собствената си тежест. По този начин те помагат за преначертаване на границите на това, което космологията всъщност може да докаже.

За да извършат този подвиг авторите използват една нова теоретична област: числена теория на относителността.

Числената теория на относителността

Алберт Айнщайн публикува окончателната версия на своята Обща теория на относителността през 1915 г. Тази теория, подобно на своя предшественик, Специалната теория на относителността, описва пространството и времето като едно цяло, пространство-време, чиято еволюция се управлява от уравненията на Айнщайн. Те образуват система от свързани нелинейни частни диференциални уравнения.

През цялото това столетие, откакто тези уравнения са изведени, са известни само относително малък брой физически релевантни точни аналитични решения на тези уравнения и повечето от тях са изведени при предположението за висока симетрия, което опростява решаването на уравненията, като например решенията на Фридман за хомогенна и изотропна вселена.

За релативистичната астрофизика, която включва екстремни обекти и явления както гравитационен колапс, неутронни звезди, черни дупки, гравитационни вълни и други, безспорно такъв е и Големият взрив, се изисква пълна Обща теория на относителността без обичайните приближения за слабо поле и ниска скорост (както в постнютоновите разширения и теорията на пертурбациите на фона на точни решения на уравненията на Айнщайн). Тук идва на помощ числената теория на относителността.

Числената теория на относителността (numerical relativity) се смята за дял от Общата теория на относителността и разработва и използва числени методи и алгоритми за компютърно моделиране на физически процеси в силни гравитационни полета, когато е необходимо числено решаване на уравненията на Айнщайн.

Моделирането в тази област изисква специални числени методи поради сложността и нелинейността на уравненията на Айнщайн, а също и - за повечето триизмерни задачи - голяма изчислителна мощност, достъпна само за съвременните суперкомпютри. В момента в числената теория на относителността са актуални изследвания в областта на моделирането на релативистични близки двойни звезди и свързаните с тях гравитационни вълни, както и много други математически и астрофизични проблеми.

Сега физиците решават да използват този съвременен метод за проверка на основните космологични теории.

Надниквайки в първите мигове на Вселената

Един от най-трудните въпроси във физиката е какво се е случило в самото начало. Ако превъртим Вселената назад, уравненията на Общата теория на относителността предсказват точка с безкрайна плътност, наречена сингулярност. Това не означава непременно, че Вселената буквално е "започнала" от нищото; по-скоро показва, че известните закони на физиката се разпадат в тези екстремни условия.

Численна теория на относителността позволява на изследователите да изследват какъв вид сингулярност може да е била достигната. Някои модели предполагат хаотично състояние, при което региони от космоса се развиват почти независимо по нащърбен, осцилиращ начин.

Илюстрация, показваща модели на сигналите, генерирани от първични стандартни часовници в различни теории на изначалната вселена. Горе: Големият подскок. Отдолу: Инфлация. Кредит: CfA / Zhong-Zhi Xianyu, Xingang Chen, Avi Loeb

Други предлагат по-плавни сценарии на "отскок", при които една свита, колапсирала вселена "отскача" и се връща към разширяването, което наблюдаваме днес.

Това не са сигурни факти, но симулациите помагат да се определи кои от тези възможности са математически осъществими.

Друг набор от идеи идва от теорията на струните, където "брани" от по-високи измерения биха могли да се сблъскат, предизвиквайки Големия взрив.

Суперкомпютърните модели позволяват на учените да тестват как биха могли да се развият подобни събития и дали биха могли да произведат наблюдаваните сега във Вселената модели на галактики и космическо микровълново фоново лъчение.

Въпросът не е, дали може да се докаже един сценарий, а че съвременните симулации вече могат да подложат на стрес тест тези предложения по начин, който някога е бил невъзможен.

Хаотична сингуярност

Прегледът преразглежда това през призмата на числената теория на относителността, особено в контекста на хипотезата на Белински-Халатников-Лифшиц (БХЛ). Предложена за първи път през 60-те и 70-те години на миналия век, БХЛ предполага, че с приближаването на Вселената към сингулярност, самото пространство може да се държи хаотично, като различните региони се свиват и разтягат в непредсказуеми ритми.

Тъй като гравитацията е явление, произтичащо от кривината на пространство-времето при наличие на маса или енергия според Общата теория на относителността на Айнщайн, освен гъвкавост и еластичност, пространствено-времевото поле има и вискозитет - затова въртящите се черни дупки могат да го усукат в пространствено-времеви вихър. Също така, кривината на пространствено-времевото поле има своя граница, при преминаване на която кривината става самонарастяща, с други думи, кривината ще бъде генерирана от самата кривина, а не от наличието на свръхплътна материя.

Сферично тяло, претърпяващо хаотична БХЛ (Mixmaster) динамика, близка до сингулярност. Кредит: Wikimedia Commons

В началото тази идея обезпокоява физиците: ако е вярно, Големият взрив не би бил гладко, равномерно събитие, а хаотична буря във всяка точка. 

Чрез директно симулиране на подобни сценарии, сега изследователите могат да видят дали тези трептения се запазват при по-реалистични условия.

Дигиталните експерименти потвърждават, че сингулярностите остават неизбежни в много случаи, както е предсказано от теоремите за сингулярност на Роджър Пенроуз. Но те също така разкриват, че "видът" сингулярност – хаотична или гладка, бурна или мека – зависи силно от вида налична материя.

Това прави сингулярността по-малко стена и по-скоро врата: детайлите за това как се формира може да крият улики за нова физика.

Идеята за отскока

Ако сингулярностите са мястото, където настоящите теории се разпадат, един възможен път напред е да си представим, че Вселената никога не е била такава. Вместо да възникне от нищото, може би тя е "отскочила" от по-ранно състояние.

Космологиите на отскачане предполагат, че предишна вселена се е колапсирала в себе си, преди да се възстанови в разширяването, което наблюдаваме днес. Тези модели често разчитат на необичайни форми на материя или енергия, за да предотвратят колапса, завършващ с разрушителна сингулярност. Докато скептиците отбелязват, че подобни съставки остават хипотетични, числената теория на относителността позволява на изследователите да направят стрес-тест дали тези отскачания са математически последователни.

Тук суперкомпютрите преминават стъпка по стъпка през колапса и възстановяването, проверявайки дали екзотичната материя може да стабилизира процеса, без да нарушава правилата на Айнщайн. Въпреки че нито един модел на отскок не се е откроил като ясен фаворит, възможността за детайлно тестване бележи напредък. Това, което някога е било само спекулативна скица, сега може да бъде изследвано в контролирана среда.

Концепция за разширяване на Вселената. Кредит: Pixabay

Мехурчета и сблъсъци

Друга област на изследване е свързана с теорията за космическата инфлация - изблик на разширяване, по-бързо от светлината, в първата част от секундата на Вселената. Инфлацията помага да се обясни защо Космосът днес изглежда толкова еднороден в големи мащаби. Но някои версии на инфлацията предсказват, че пространството може да се е надуло неравномерно, създавайки "мехурчета" от Вселената, които се разширяват като сапунена пяна.

Ако такива мехурчета съществуват, те по принцип биха могли да се сблъскат, оставяйки след себе си белези в космическия микровълнов фон - слабото послесияние от Големия взрив. Откриването на такава сигнатура би било революционно, но предсказването на това как би изглеждала изисква подробно моделиране.

Числената теория на относителността е много подходяща за тази задача. Чрез симулиране на пълните уравнения на движението, физиците могат да видят какво се случва, когато две подобни на мехурчета вселени се сблъскат една в друга.

Резултатите често показват отличителни вълнички в симулираната пространствено-времева тъкан. Въпреки че подобни вълнички не са потвърдени в реални данни, тези цифрови експерименти предоставят шаблони, в които астрономите да търсят.

Преходни епохи: Претопляне и фазови промени

Прегледът не спира с първите моменти. Той изследва и "преходните" периоди, когато основните съставки на Вселената са се трансформирали. Един важен момент е т.нар. повторно нагряване. Това е времето след инфлацията, когато енергията, заключена в инфлационното поле, се разпада в горещата супа от частици, които биха образували първите атоми.

Смята се, че повторното нагряване е породило голяма част от структурата, която виждаме днес. Но детайлите ѝ остават загадъчни: колко равномерно се е разпространила енергията? Дали е произвела гравитационни вълни, слаби пулсации в пространство-времето, които все още може да са забележими? Числената теория на относителността позволява на изследователите да моделират тези бурни преходи в повече от едно измерение, следвайки не само средните поведения, но и локалните вариации.

Друг преходен период включва фазови промени във фундаменталните сили на Вселената, подобни на замръзването на водата в лед. Те биха могли също да генерират гравитационни вълни или да оставят отпечатъци върху космическата структура. За пореден път, суперкомпютърните симулации дават на физиците начин да картографират възможните резултати.

Сложни изчислителни методи биха могли да разрешат космически мистерии, използвайки числената теория на относителността. Кредит:Gabriel Fitzpatrick for FQxI, © FQxI (2025))

По-късната Вселена и космическата структура

Числената теория на относителността не е само за началото на времето. Тя хвърля светлина и върху "късната вселена", включително как еволюират галактиките и космическите структури.

Повечето космологични симулации днес използват Нютоновата гравитация (опростена версия на уравненията на Айнщайн), защото е по-бърза за изчисляване. За много цели това е достатъчно точно. Но когато прецизността е от значение, могат да се промъкнат релативистични ефекти.

Една горещо обсъждана тема е обратната реакция или идеята, че локални бучки и кухини от материя биха могли да променят мащабното разширяване на Вселената. Ранни твърдения предполагат, че това може дори да обясни необходимостта от тъмна енергия, загадъчната сила, движеща космическото ускорение.

Числената теория на относителността е тествала тези сценарии подробно, показвайки, че макар нееднородностите да произвеждат малки ефекти, те обикновено са на ниво от няколко процента, недостатъчни, за да заменят напълно тъмната енергия.

Стандартни свещи (вляво) и стандартни линийки (вдясно) са две различни техники, използвани от астрономите за измерване на разширяването на пространството в различни времена/разстояния в миналото. Въз основа на това как величини като осветеност или ъглов размер се променят с разстоянието, може да се направи извод за историята на разширяването на Вселената. Използването на метода на свещите е част от стълбата на разстоянията, което дава 73 km/s/Mpc. Използването на линийката е част от метода на ранния сигнал, което дава 67 km/s/Mpc. С новите данни на космическия телескоп "Джеймс Уеб" мистерията около скоростта на разширяване на Вселената се задълбоава още повече. Кредит NASA/JPL-Caltech

Тези "малки" корекции все пак имат значение. Космолозите са препънати от загадка, наречена напрежението на Хъбъл, където различните методи за измерване на скоростта на разширяване на Вселената не съвпадат. Когато измерванията са толкова точни, че дори изместване от 1-2% предизвиква противоречия, разбирането на подпроцентните релативистични корекции става критично. Може да звучи незначително, но в съвременната космология дори еднопроцентна промяна може да има значение, когато изследователите обсъждат въпроси като това колко бързо се разширява Вселената. Числената теория на относителността предоставя златния стандарт за проверка дали тези малки корекции се отчитат правилно.

Космически войдове, червено отместване и други фини ефекти

Отвъд галактиките, изследователите симулират и как теорията на относителността оформя космическите войдове  - област от пространството, което съдържа много по-малко галактики, звезди и планети от средното. Тези огромни празни области доминират в обема на Вселената.

Войдовете могат фино да изкривяват светлината, преминаваща през тях, влияейки върху измерванията на разстоянието, използвани за определяне на свойствата на тъмната енергия.

Друг фин ефект е т.нар. дрейф на червеното отместване. С течение на времето червеното отместване на далечните галактики (разтягането на тяхната светлина чрез космическо разширение) би трябвало да се промени много леко. Откриването на този дрейф би осигурило директен поглед върху космическата динамика, но интерпретирането му изисква внимателно релативистично моделиране.

Числената теория на относителността предлага най-точния начин за прогнозиране как би трябвало да изглежда сигналът.

Поотделно тези ефекти са малки. Взети заедно, те действат като кръстосани проверки, които поддържат космологията коректна, гарантирайки, че смелите твърдения за съдбата на Вселената почиват на солидна основа.

Тези усилия подчертават ключов момент: числената теория на относителността не замества стандартните методи, а ги подобрява. Тя предлага начин за валидиране на съществуващи модели, откриване на малки систематични грешки и изследване на местата, където Нютоновите преки пътища може да започнат да се провалят. Това е скромна, но важна роля за детайлизиране на цялостната ни картина за Космоса.

Gabriel Fitzpatrick for FQxI, © FQxI (2025))

Промяна в начина, по който се прави космология

Това, което свързва всички тези нишки, е методологична промяна. В продължение на десетилетия космолозите са работили с опростени модели, защото не те разполагали с нищо друго. Пълните уравнения на Айнщайн са твърде тромави и са решени само в специални случаи. Сега, с числената теория на относителността и мощните суперкомпютри, тези ограничения се премахват.

Това не означава, че всяка космическа загадка е решена. Далеч не е така. Но означава, че някога умозрителни сценарии, от отскачащи вселени до сблъсъци на мехури, могат да бъдат тествани, а не просто обсъждани. Както пишат авторите на прегледа, тези инструменти "най-малкото предоставят материал, с който да се информира дебата, и най-много - дават силни твърдения за последователността в моделите, използвани за обяснение на наблюдаваните характеристики на нашата вселена".

Разликата може да звучи скромна, но в област, където въпросите за произхода на Вселената някога са били смятани за неотговорими, тя представлява огромна крачка напред.

Защо това е важно отвъд физиката

Дори за тези, които не са запознати с уравненията, последиците се разпростират навън. Ако числената теория на относителността продължи да се развива, това би могло да изясни дали Големият взрив е бил еднократно събитие или част от по-голям цикъл, дали космическата инфлация е оставила белези, които все още можем да видим, и колко надеждни са всъщност днешните измервания на тъмната енергия и космическото разширение.

Това отразява и една по-широка истина за науката: прогресът често идва не от внезапни разкрития, а от по-добри инструменти. Точно както микроскопите разкриха клетъчния свят, а ускорителите на частици - субатомния, суперкомпютърните симулации разкриват най-ранните и най-големи мащаби на космоса.

Въпросите са древни, но средствата за справянето с тях са съвсем нови.

Заключение

Големият взрив може да остане водещата история за нашия космически произход, но той вече не е единствената, която е сериозно изследвана. Числената теория на относителността дава на физиците лаборатория от вселени, които да изследват, тествайки възможности, които някога са изглеждали завинаги недостижими.

През следващите години, с нарастването на изчислителната мощност и нови данни, може да се окаже, че отново трябва да се преразгледат някои от най-дълбоките въпроси, които човечеството някога е задавало: Дали Големият взрив наистина е бил началото? Възможно ли е да е имало вселена преди нашата? И ако е така, какви следи е оставил той в тъканта на реалността, която виждаме днес?

Справка: Aurrekoetxea, J. C., Clough, K., & Lim, E. A. (2025). “Cosmology using numerical relativity,” published in Living Reviews in Relativity on June 23, 2025. DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z

Източник: Was The Big Bang A ‘Rebound’ Of A Collapsed Universe? Supercomputers Peer Into The Cosmic Dawn, StudyFinds Analysis

Още по темата

04/08/2025

Космос

Две алтернативни теории за Големия взрив се появяват внезапно в рамките на една седмица

10/06/2025

Физика

Проблемът с "блатото" на теорията на струните може да има решение

11/04/2025

Космос

Вселена, изградена на стъпки от множество сингулярности без тъмна материя и енергия

24/02/2023

Физика

Най-неразрушимата симетрия във Вселената