Учёные предложили новый вычислительный метод для изучения того, что было до Большого взрыва

Один из самых сложных вопросов космологии — что произошло до Большого взрыва? Хотя эта проблема обсуждалась десятилетиями, а некоторые считали её предметом религии или философии, новое исследование предполагает, что теперь мы можем приблизиться к ответу с помощью передовых компьютерных моделей.

Так называемая численная относительность, вычислительный подход к знаменитым уравнениям физика Альберта Эйнштейна, может предложить новые и инновационные пути для изучения сценариев, которые ранее физика считала неразрешимыми.

Покойный физик Стивен Хокинг утверждал, что до Большого взрыва не существовало ничего, основываясь на условии «отсутствия границ», которое он предложил совместно с физиком Джеймсом Хартлом. Согласно этому представлению, вопрос о том, что было «до», не имеет смысла, подобно тому как невозможно отправиться южнее Южного полюса Земли. Ранее, в своей знаменитой книге «Краткая история времени», Хокинг даже допускал, что некоторые рассматривают вопросы о предшественнике известной нам Вселенной как «предмет метафизики или религии».

Однако в новой статье, появившейся в журнале Living Reviews in Relativity в июне 2025 года, космолог Юджин Лим из Королевского колледжа Лондона вместе с астрофизиками Кэти Клаф из Лондонского университета Королевы Марии и Джосу Ауррекоэчеа из Оксфордского университета предлагают применить численную относительность к вопросам о том, что могло предшествовать Большому взрыву.

Авторы заявляют, что такие передовые вычислительные подходы также потенциально могут пролить свет на вопрос о том, действительно ли инфляция является лучшим объяснением наших наблюдений за Вселенной, могла ли она когда-либо сталкиваться с другой вселенной и возможно ли существование не одного, а циклов взрывов и сжатий на протяжении космической истории.

Сегодня мы обращаемся к уравнениям общей теории относительности Эйнштейна, чтобы понять такие явления, как гравитация и космическое движение. Однако в экстремальных космических условиях, подобных тем, что были во время Большого взрыва и внутри чёрных дыр, эти уравнения перестают работать, превращаясь в сингулярности бесконечной плотности.

В прошлом космологи упрощали подобные задачи, предполагая, например, однородность Вселенной, то есть что она в основном выглядит одинаково из любой своей точки. Для современной космоса это, кажется, верно, хотя физики полагают, что к самым ранним моментам это может не относиться.

«Вы можете искать вокруг фонарного столба, но не можете зайти далеко за его пределы, туда, где темно — вы просто не можете решить те уравнения», — сказал Лим в недавнем заявлении. «Численная относительность позволяет исследовать области вдали от фонарного столба».

Численная относительность, корни которой восходят к 1960-м годам, когда её впервые применили для моделирования экстремальных гравитационных сценариев, может пролить свет на загадки космической инфляции — внезапного, очень быстрого расширения, которое, как полагают, произошло в самой ранней Вселенной. Хотя эта идея объясняет большую часть однородности, наблюдаемой сегодня во Вселенной, учёные до сих пор озадачены тем, как или почему она началась.

В отличие от других аналитических методов, численная относительность предлагает потенциальный метод «симулирования» вселенных, которые начинаются в совершенно разных условиях, и проверки предсказаний таких теорий, как теория струн.

Лим и команда, стоящая за новым исследованием, утверждают, что этот подход не ограничивается только вопросом инфляции Вселенной. Численная относительность также потенциально может помочь смоделировать гравитационные сигналы от гипотетических дефектов в пространстве-времени, известных как космические струны, что может дать ключи к пониманию их существования.

Аналогичным образом, этот подход может позволить исследователям моделировать потенциальные «отметины» в реликтовом излучении, которые, по мнению астрофизиков, могут предоставить доказательства в пользу теорий мультивселенной.

Наконец, численная относительность могла бы также стать потенциальным способом проверки циклических космологических моделей, в которых вселенные переживают коллапс, после чего они рождаются вновь в череде больших взрывов и сжатий.

Применяя аналитический подход, решить проблемы, подобные гипотетическим «подпрыгивающим вселенным», очень сложно, однако при использовании численной относительности это не так, поскольку они достигают сильной гравитации, где нельзя полагаться на симметрии.

Поскольку эти симуляции очень сложны, они также требуют значительной вычислительной мощности, сравнимой только с мощностью суперкомпьютеров. К счастью, по мере того как вычислительные возможности продолжают расширяться в сторону создания доступных квантовых компьютеров, будет расти и масштаб того, что космологи смогут достичь с помощью моделирования.

В конечном счёте, Лим и его коллеги надеются, что их работа будет способствовать более тесному сотрудничеству между специалистами по численной относительности и космологами. «Мы надеемся действительно развить это взаимодействие между космологией и численной относительностью, чтобы специалисты по численной относительности, заинтересованные в использовании своих методов для изучения космологических проблем, могли двигаться вперёд и делать это», — говорит Лим.