Dokazi za Veliki prasak danas su gotovo neupitni, ali sam početak svemira i dalje nam izmiče. Ne znamo što se točno dogodilo u toj granici, niti je možemo opisati kao običan trenutak, jer vrijeme kakvo poznajemo tada još nije postojalo. Naše najbolje teorije prestaju vrijediti djelić sekunde nakon zamišljenog početka, a jednadžbe jednostavno “pucaju”. Skupina istraživača sada pokušava učiniti nešto radikalno: gurnuti Einsteinove jednadžbe ne samo do kraja njihove primjene, nego i preko te granice, uz pomoć numeričkih simulacija.
Kako prenosi IFLScience, tim istraživača povezan s institutom Foundational Questions Institute (FQXi) koristi složene računalne simulacije kako bi numerički rješavao Einsteinove jednadžbe opće teorije relativnosti. Takav pristup koristi se kada jednadžbe nemaju opće analitičko rješenje, kao u klasičnom problemu triju tijela u gravitaciji. Relativnost ima točna rješenja za mnoge idealizirane situacije, ali u krajnje ekstremnim uvjetima, poput samog početka svemira, taj opis se ruši. Upravo zato numerički pristup postaje ključan alat za istraživanje područja gdje sadašnja fizika zapinje.
Numerička relativnost razvijala se od 1960-ih i 1970-ih godina upravo kako bi se razumjelo što se događa pri sudaru i spajanju crnih rupa, osobito kada je riječ o zračenju gravitacijskih valova. Iako je opća relativnost predvidjela postojanje gravitacijskih valova, oblik i detaljna struktura tih valova ne mogu se izračunati samo “na papiru”, ma koliko dobro poznavali Einsteinove jednadžbe.
Deset godina nakon prve detekcije gravitacijskih valova postalo je jasno da taj pristup funkcionira: numerički modeli uspjeli su predvidjeti signale koje su kasnije izmjerili detektori. Uspjeh u tom području otvorio je logično pitanje: zašto iste metode ne primijeniti i na neke od najdubljih problema kozmologije?
“Najviše me uzbuđuje mogućnost da numeričku relativnost iskoristimo kako bismo istražili kako je Veliki prasak uopće započeo i kako se taj pristup može upotrijebiti za rješavanje nekih dugotrajnih problema u teorijama struna”, rekao je za IFLScience suautor studije, profesor Eugene Lim s King’s College London.
Inflacija, teorije struna i tragovi prije našeg svemira
Istraživanje, koje se gotovo u potpunosti financira sredstvima britanskih istraživačkih vijeća (UK Research Councils) i zaklade Leverhulme Trust, usmjereno je na sam Veliki prasak i razdoblje poznato kao kozmička inflacija. Ta iznimno kratka faza, koja je trajala djelić sekunde nakon početka svemira, obilježena je nevjerojatno brzim širenjem svemira. Cijeli se kozmos tada naglo “rastegnuo” na razmjere koje danas promatramo.
Postojanje inflacije nužno je kako bismo objasnili zašto je svemir, u grubim crtama, posvuda iznenađujuće ujednačen. Bez inflacijskog razdoblja raspada se velik dio današnje kozmološke slike. Problem je u tome što još uvijek ne znamo što je inflaciju pokrenulo. Tu na scenu stupa numerička relativnost.
“Inflacija sama po sebi nije potpuna teorija, nego opis koji mora proizaći iz nečeg temeljnijeg. Tehnički kažemo da je inflacija ‘efektivna teorija’”, pojašnjava Lim za IFLScience. Drugim riječima, inflacija je kao okvir koji dobro opisuje opažene pojave, ali sama ne otkriva što je u pozadini, primjerice kakva polja ili interakcije u teorijama struna.
Numerička rješenja koja opisuju inflaciju mogla bi otkriti kakvi uvjeti ili zahtjevi proizlaze iz samih Einsteinovih jednadžbi u tim ekstremima. Ti zahtjevi mogu upućivati na postojanje polja, interakcija ili svojstava koja izlaze izvan našeg uobičajenog shvaćanja prostora i vremena. Neke hipoteze, poput cikličkog svemira s tzv. Big Bounce ili različitih varijanti multiverzuma, upravo to i pretpostavljaju: da naš svemir nije jedini i da postoji “nešto” prije i izvan onoga što promatramo.
Ako su takvi scenariji točni, tragovi bi se mogli pojaviti u numeričkim rješenjima inflacije. Ne nužno kao izravna “slika” prethodnog svemira, nego kao matematički uvjeti i strukture koji se teško mogu objasniti unutar zatvorenog, jednokratnog svemira kakav obično zamišljamo.
Numerička relativnost, međutim, nimalo nije trivijalna. Da je jednostavna, takve bismo račune već odavno napravili. Tek zahvaljujući novim računalnim postignućima i superračunalima moguće je sustavno napadati ovako složene probleme i pratiti razvoj svemira u trenucima kada su gustoće i energije bile krajnje ekstremne. Rad na tim simulacijama sada napreduje velikom brzinom.
Studija u kojoj se izlaže ovaj pristup objavljena je u časopisu Living Reviews in Relativity. Ako se pokaže uspješnom, mogla bi nam, kroz čiste Einsteinove jednadžbe i matematiku, barem posredno otvoriti pogled prema onome što je prethodilo svemiru koji danas nastanjujemo.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
