Co když Velký třesk nebyl opravdu začátek?
Tým kosmologů využívá sílu superpočítačů k prosazování hranic Einsteinových rovnic a prozkoumat záhady, které kdysi považovaly za neřešitelné. Použitím numerické relativity – simulace, které dokážou modelovat extrémní podmínky – doufají, že odhalí stopy o tom, co přišlo před velkým třeskem, ať už je kosmos součástí cyklu znovuzrození, nebo dokonce i když se náš vesmír jednou srazil s jiným.
Simulace neřešitelného: nová cesta před velkým třeskem
Často se říká, že ptát se toho, co přišlo před velkým třeskem, je „nevědecké“ nebo dokonce „nesmyslné“. Přesto nedávný článek zveřejněný v Živé recenze v relativitě nabízí jinou perspektivu. Studie napsal kosmolog FQXI Eugene Lim (King’s College London, UK), astrofyzik Katy Cloughová (Queen Mary University of London, UK) a Josu Aurrekoetxea (Oxford University, Velká Británie).
Pomocí numerických metod k přibližlivým Einsteinovým rovnicím gravitace za extrémních podmínek vědci tvrdí, že kosmologové mohou konečně schopni prozkoumat otázky, které se zdály dlouho mimo dosah. Patří sem to, co se mohlo stát před Velký třeskAť už existuje více vesmírů, pokud se náš vesmír někdy srazil s jiným, nebo zda realita prochází opakovanými cykly expanze a kolapsu.
Einsteinovy rovnice Obecná relativita Popište, jak gravitace formuje chování hmoty a energie ve vesmíru. Když se však vysledovali zpět k nejranějším okamžikům vesmíru, rozpadli se. V tomto okamžiku rovnice předpovídají singularitu, stav nekonečné teploty a hustoty, kde se již nevztahují známé fyzikální zákony. V takových podmínkách se kosmologové nemohou spoléhat na své obvyklé předpoklady při řešení rovnic. Stejný problém se objeví při pokusu o popis jiných extrémních prostředí, jako jsou střediska Černé díry.
„Můžete hledat kolem lampostu, ale nemůžete jít daleko za lamppost, kde je tma – prostě nemůžete vyřešit tyto rovnice,“ vysvětluje Lim. „Numerická relativita vám umožňuje prozkoumat regiony pryč od lampy.“
Za lampou
Numerická relativita byla poprvé navržena v 60. a 70. letech, aby se pokusila zjistit, jaké druhy Gravitační vlny (Ripples ve tkanině časoprostoru) by se emitovaly, kdyby se sraly a sloučily se černé díry. Toto je extrémní scénář, pro který je nemožné vyřešit Einsteinovy rovnice pomocí počítačového kódu s papírem a perem – je vyžadován sofistikovaný počítačový kód a numerické aproximace. Jeho vývoj byl obdržel obnovené zaměření, když Ligo Experiment byl navržen v 80. letech, ačkoli problém byl vyřešen tímto způsobem pouze v roce 2005, zvyšuje naděje, že metoda může být také úspěšně aplikována na jiné hádanky.
„Můžete prohledávat lampy, ale nemůžete jít daleko za lamppost, kde je tma – prostě nemůžete vyřešit tyto rovnice. Numerická relativita vám umožňuje prozkoumat oblasti od lampy,“ říká Eugene Lim.
Jednou z dlouhodobých hádanek, na které je Lim obzvláště nadšený, je kosmická inflace, což je období extrémně rychlé expanze v raném vesmíru. Inflace byla zpočátku navržena, aby vysvětlila, proč vesmír vypadá tak, jak to dělá dnes, a natahuje původně malou náplast, takže vesmír vypadá podobně po celé rozloze. „Pokud nemáte inflaci, mnoho věcí se rozpadá,“ vysvětluje Lim. Ale zatímco inflace dnes pomáhá vysvětlit stav vesmíru, nikdo nebyl schopen vysvětlit, jak nebo proč měl dětský vesmír tento náhlý, krátkodobý růst.
Problém je v tom, že to prozkoumat pomocí Einsteinových rovnic musí kosmologové předpokládat, že vesmír byl na prvním místě homogenní a izotropní – něco, co měla inflace vysvětlit. Pokud místo toho předpokládáte, že to začalo v jiném stavu, pak „Nemáte symetrii, abyste si mohli snadno zapisovat své rovnice,“ vysvětluje Lim.
Numerická relativita by nám však mohla pomoci obejít tento problém, což umožňuje radikálně odlišné počáteční podmínky. Řešení však není jednoduché hádanky, protože existuje nekonečný počet způsobů, jak by Spacetime mohl být před inflací. Lim proto doufá, že použije numerickou relativitu k testování předpovědí pocházejících z základních teorií, které vytvářejí inflaci, jako je teorie řetězců.
Kosmické struny, srážky vesmírů
Existují i další vzrušující vyhlídky. Fyzici by mohli použít numerickou relativitu, aby se pokusili zjistit, jaké gravitační vlny by mohly být vytvořeny hypotetickými objekty zvanými kosmickými řetězci – dlouhými, tenkými „jizvami“ v prostoru – potenciálně pomoci potvrdit jejich existenci. Mohli by také být schopni předvídat podpisy nebo „modřiny“ na obloze z našeho vesmíru Srážku se sousedními vesmíry (pokud dokonce existují), což by nám mohlo pomoci ověřit teorii multiverse.
Vzrušující, numerická relativita by také mohla pomoci odhalit, zda došlo k vesmíru před velkým třeskem. Možná je Cosmos cyklický a podléhá „odrazům“ od starých vesmírů do nových, zažívá opakované znovuzrození, velké třeskem a velké drtí. To je velmi těžký problém analyticky vyřešit. „Skákání vesmírů jsou vynikajícím příkladem, protože dosahují silné gravitace, kde se nemůžete spolehnout na vaše symetrie,“ říká Lim. „Několik skupin na nich už pracuje – zvyklo to, že nikdo nebyl.“
Numerické simulace relativity jsou tak složité, že vyžadují spuštění superpočítačů. Jak se technologie těchto strojů zlepšuje, můžeme očekávat významné zlepšení v našem chápání vesmíru. Lim doufá, že nový dokument týmu, který nastiňuje metody a výhody numerické relativity, může nakonec pomoci vědcům dostat se do různých oblastí až do rychlosti.
„Doufáme, že se skutečně rozvineme toto překrývání mezi kosmologií a numerickou relativitou tak, aby numeričtí relativisté, kteří mají zájem využívat své techniky k prozkoumání kosmologických problémů, mohou pokračovat a dělat to,“ říká, „a kosmologové, kteří mají zájem o vyřešení některých otázek, které nemohou vyřešit, mohou použít numerickou relativitu.“
Reference: „Kosmologie využívající numerickou relativitu“ od Josu C. Aurrekoetxea, Katy Cloughové a Eugene A. Lim, 23. června 2025, Živé recenze v relativitě.
Dva: 10.1007/S41114-025-00058-Z
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
