Przez dziesięciolecia Wielki Wybuch był kamieniem węgielnym współczesnej kosmologii: momentem, w którym wszechświat eksplodował z nieskończenie gęstego punktu. Ale co, jeśli w ogóle, wydarzyło się przed tą chwilą? Pytanie wydawało się bezcelowe, ale ostatnie przełomy w numerycznej teorii względności – obliczeniowym podejściu do rozwiązywania notorycznie złożonych równań Einsteina – pokazują, że najwcześniejsza historia Wszechświata może być znacznie dziwniejsza, niż wcześniej sądzono. Naukowcy dostrzegają obecnie możliwość istnienia wcześniej istniejących wszechświatów, zderzenia rzeczywistości, a nawet możliwości, że Wielki Wybuch nie był początkiem, ale przejściem.
Powrót w czasie: przełom w numerycznej teorii względności
Głównym problemem jest to, że równania opisujące grawitację załamują się przy ekstremalnych gęstościach. Fizycy od dawna próbują obejść ten problem, stosując przybliżenia, podając warunki superkomputerom i umożliwiając im przeprowadzanie symulacji. Nie chodzi o znalezienie precyzyjnych rozwiązań; chodzi o wyciąganie znaczących wniosków z przybliżonych szacunków. Jak wyjaśnia Eugene Lim z King’s College w Londynie, dziedzina ta ujawnia obecnie odpowiedzi na pytania, które kiedyś uważano za bez odpowiedzi.
Siła tego podejścia wyłoniła się z astronomii fal grawitacyjnych. Po dziesięcioleciach teorii naukowcy w końcu zaobserwowali zmarszczki w czasoprzestrzeni w 2016 roku. Ten sukces zainspirował badaczy do zastosowania tych samych technik do znacznie bardziej złożonego problemu wczesnego Wszechświata, tworząc modele „na poziomie gwiazdy śmierci” w celu symulacji warunków w pobliżu Wielkiego Wybuchu.
Zagadka inflacji i argumentacja za podskakiwaniem wszechświatów
Jedną z wiodących teorii na temat tego, co wydarzyło się przed gorącą, gęstą fazą wczesnego Wszechświata, jest inflacja : okres wykładniczej ekspansji, który złagodził początkowe nierówności. Jednakże inflacja opiera się na hipotetycznym polu – „inflatonie” – o słabo poznanych właściwościach. Symulacje pokazują obecnie, że pewne konfiguracje tego pola z większym prawdopodobieństwem powodują inflację niż inne, tworząc napięcie w obserwacjach kosmicznego mikrofalowego tła (CMB).
Ta niepewność otworzyła drzwi alternatywnym modelom, w tym hipotezie odbijającego się wszechświata. Zamiast eksplodować z osobliwości, Wszechświat mógł zapaść się ze swojego poprzedniego stanu, zanim się odbił. Numeryczna teoria względności potwierdza tę koncepcję, pokazując, że kompresja może wygładzić nierówności równie skutecznie jak inflacja i potencjalnie uniknąć problematycznej osobliwości. Najnowsze dowody pokazują nawet, że ekspansja Wszechświata spowalnia, co zwiększa prawdopodobieństwo przyszłego kurczenia się Wszechświata.
Dowód na zderzenie wszechświatów?
Być może najbardziej radykalną implikacją tych symulacji jest możliwość, że nasz wszechświat nie jest sam. Jeśli inflacja stworzyła „bąbelki” powoli rozszerzającej się przestrzeni, bąbelki te mogłyby uformować się wystarczająco blisko, aby się zderzyć. Modele przewidują, że takie uderzenia pozostawią wykrywalne blizny na CMB. Chociaż wczesne poszukiwania tych odcisków przyniosły niejednoznaczne wyniki, badacze udoskonalają swoje metody i badają bardziej realistyczne scenariusze.
W laboratoriach przeprowadza się nawet eksperymenty mające na celu symulację zderzenia wszechświatów przy użyciu egzotycznych cieczy w celu potwierdzenia przewidywań teoretycznych.
Przyszłość badań kosmologicznych
Numeryczna teoria względności nie tylko sprawdza istniejące teorie; zajmuje się także podstawami fizyki teoretycznej. Na przykład kształty pola inflatonowego potrzebne do wywołania inflacji są niespójne z wieloma modelami teorii strun, ale zgodne z określonymi odmianami. Sugeruje to, że niektóre podejścia do łączenia grawitacji z mechaniką kwantową mogą być bardziej obiecujące niż inne.
Dysponując większą mocą obliczeniową i bardziej złożonymi symulacjami, naukowcy są gotowi jeszcze bardziej przesunąć granice wiedzy kosmologicznej. Być może era ślepego uznawania Wielkiego Wybuchu za absolutny początek dobiega końca. Wkraczamy w fazę, w której można przetestować pochodzenie wszechświata, podważyć je i potencjalnie napisać na nowo w oparciu o nieustanne dążenie do prawdy obliczeniowej.
Symulacje to świetne dzieła, ale wciąż niekompletne. Modele nie są jeszcze w stanie w pełni wyjaśnić Wszechświata takim, jakim go widzimy dzisiaj, ale są coraz bliżej odpowiedzi na najważniejsze pytanie kosmologii: co było przed wszystkim?
