Что предшествовало Большому взрыву: новая гипотеза ученых23.08.2025 11:31

Бытует мнение, будто спрашивать, что было до Большого взрыва, «ненаучно» или «бессмысленно». Но в новой статье Юджина Лима (Eugene Lim), космолога из Королевского колледжа Лондона, астрофизиков Кэти Клаф из Лондонского университета королевы Марии и Джосу Ауррекоэтксеа из Оксфордского университета, опубликованной в журнале Living Reviews in Relativity, предлагается новый подход: использование сложного компьютерного моделирования для численного (не точного) решения уравнений Эйнштейна для гравитации в экстремальных условиях.

Группа ученых утверждает, что численная теория относительности должна все шире применяться в космологии для исследования самых важных вопросов эволюции Вселенной, включая то, что было до Большого взрыва. Только так можно в конце концов понять, живем ли мы в мультивселенной, сталкивалась ли наша Вселенная с соседними мирами или проходит ли она через бесконечную череду взрывов, расширений и последующих сжатий.

Уравнения общей теории относительности Эйнштейна описывают гравитацию и движение космических объектов. Но если отмотать время достаточно далеко назад, то можно столкнуться с сингулярностью — состоянием бесконечной плотности и температуры, где законы традиционной физики нарушаются.

Космологи просто не могут решить уравнения Эйнштейна в столь экстремальных условиях — их обычные упрощающие предположения больше не работают. Тот же тупик возникает при изучении объектов, связанным с сингулярностями или экстремальной гравитацией, таких как черные дыры.

Одна из проблем может заключаться в том, что космологи принимают как должное, что Вселенная «изотропна» и «однородна» — то есть выглядит одинаково во всех направлениях для каждого наблюдателя. Это удачное приближение для Вселенной, которую мы видим вокруг, и оно позволяет легко решить уравнения Эйнштейна в большинстве космических сценариев. Но является ли это «хорошим приближением» для Вселенной во время Большого взрыва?

По словам Юджина Лима, можно искать вокруг фонарного столба, но нельзя выйти далеко за пределы фонарного столба, где темно — там привычные уравнения становится невозможно решить. Численная теория относительности (numerical relativity) позволяет исследовать области, находящиеся вдали от фонарного столба.

За фонарным столбом

Численная теория относительности была впервые предложена в 1960-х годах. С ее помощью физики-теоретики попытались определить, какие виды гравитационных волн (волн в ткани пространства-времени) будут испускаться при столкновении и слиянии черных дыр. Это экстремальный сценарий, для которого невозможно решить уравнения Эйнштейна только с помощью «циркуля и линейки» — требуются сложные компьютерные коды и численные приближения.

Теория вновь привлекла внимание, когда в 80-х годах был начат эксперимент LIGO, предполагающий улавливание гравитационных волн. В 2005 году ученые предположили, что этот метод можно будет успешно применять и для решения других головоломок.

Одна из давних загадок, которая особенно волнует Юджина Лима, — это космическая инфляция, период чрезвычайно быстрого расширения ранней Вселенной. Изначально термин «инфляция» был предложен для объяснения того, почему Вселенная выглядит именно так, как она выглядит сегодня: небольшой «первородный» участок быстро и равномерно растягивается во всем стороны.

Но хотя инфляция помогает c грехом пополам объяснить состояние современного мира, никто не может понять, как и почему в зарождающейся Вселенной произошел этот внезапный кратковременный скачок роста.

Чтобы исследовать это с помощью уравнений Эйнштейна, космологам приходится предполагать, что мир изначально был однородным и изотропным — то, что должна была объяснить теория инфляции. Если же вместо этого предположить, что она изначально находилась в другом состоянии, то, как объясняет Лим, не хватает симметрии, чтобы записать полноценно объясняющее все уравнения.

Численная теория относительности может помочь нам обойти эту проблему, допуская радикально иные начальные условия. Однако это непростая задача, поскольку существует бесконечное множество вариантов, которыми могло бы обладать пространство-время до начала инфляции. Юджин Лим надеется использовать численную относительность для проверки предсказаний, полученных из более фундаментальных теорий, таких как теория струн.

Космические струны, сталкивающиеся вселенные

Есть и другие захватывающие перспективы. Физики могли бы использовать теорию, чтобы попытаться определить, какие гравитационные волны могут генерироваться гипотетическими струнами — длинными и тонкими «шрамами» в пространстве-времени. Это потенциально может помочь подтвердить их существование. Они также могли бы предсказать следы, или «синяки» видимой Вселенной от ее столкновения с соседними мирами, если они вообще существуют. Это позволило бы нам проверить гипотезу о мультивселенной.

Численная теория относительности также может помочь выяснить, существовала ли Вселенная до Большого взрыва. Возможно, космос цикличен и переживает «отскоки» от старых вселенных к новым, проходя бесконечные перерождения, Большие взрывы и Большие сжатия. Эту задачу очень сложно решить аналитически.

Моделирование численной относительности требует мощности лучших суперкомпьютеров. По мере совершенствования технологий можно ожидать значительного улучшения нашего понимания Вселенной. Лим надеется, что новая статья его группы, в которой описаны методы и преимущества численной теории относительности, в конечном итоге ускорит постижение фундаментальных основ мироздания и расскажет, что же было до Большого взрыва и в последующие 500 миллионов лет, когда зарождалась структура нашей Вселенной.

О древнейшей супергалактике,  родившейся вскоре после Большого взрыва, читайте в статье Hi-Tech Mail.