Mi történhetett a Nagy Bumm előtt?

A Foundational Questions Institute kutatócsoportja ezért bonyolult számítógépes szimulációkhoz fordult, hogy numerikusan oldja meg Einstein egyenleteit. Ezt a módszert gyakran hívják segítségül olyan problémáknál, amelyeknek nincs általános, papíron felírható megoldása – ilyen például a hírhedt háromtest-probléma. Bár a relativitáselméletet sok helyzetben pontos megoldásokkal ismerjük, szélsőséges körülmények között „szétesik”. A numerikus megközelítés éppen ezért lehet kulcsfontosságú ahhoz, hogy túllépjünk a jelenlegi tudományos korlátainkon.

A numerikus relativitáselmélet az 1960–70-es években született meg, elsősorban a fekete lyukak összeolvadásának és a gravitációs hullámok kibocsátásának modellezésére. Bár Einstein előre jelezte a gravitációs hullámok létezését, a hullámok pontos formáját nem lehet pusztán kézi számolással levezetni – akkor sem, ha ismerjük az egyenleteket.

A gravitációs hullámok első, tíz évvel ezelőtti észlelése igazolta, hogy ez a numerikus módszer működik: akkor is használható jóslásra, ha az egyenleteket nem tudjuk zárt formában megoldani. Innen adódik a kérdés: miért ne vethetnénk be ugyanezt más, még nagyobb rejtélyeknél is?

„Engem az izgat leginkább, hogy numerikus relativitás segítségével próbálhatom megérteni a Nagy Bumm kezdetét – és hogy ez talán választ adhat néhány régóta húzódó problémára a húrelméletben is” – mondta az IFLScience-nek Eugene Lim professzor, a King’s College London kutatója, a tanulmány társszerzője.

A csapat a Nagy Bummot és az azt követő, kozmikus inflációként ismert korszakot vizsgálja – ezt az elképesztően rövid időszakot, amely a világegyetem születése után tört másodpercek töredéke alatt zajlott. Ekkor az univerzum döbbenetes sebességgel tágult.

Az infláció létezése kulcsfontosságú ahhoz, hogy megértsük, miért tűnik az univerzum minden pontján nagyjából egyformának. Nélküle a világegyetemről alkotott képünk több ponton is összeomlana. A probléma az, hogy fogalmunk sincs, mi indította be ezt az inflációt – és itt lép színre a numerikus relativitás.

„Az infláció önmagában nem teljes elmélet, hanem olyasmi, amit valami mélyebb, alapvetőbb elméletből kell levezetni – szaknyelven azt mondjuk, egy hatékony elmélet” – magyarázta Lim.

A numerikus megközelítésben nagy a potenciál, és a gravitációs hullámok esete jól mutatja, hogy működhet is. A kozmikus infláció számítógépes megoldásai olyan feltételeket tárhatnak fel, amelyek korábban ismeretlen mezőkre, kölcsönhatásokra vagy tulajdonságokra utalnak – akár olyanokra is, amelyek túlmutatnak az általunk ismert univerzum határain. Ide tartoznak például az olyan elméletek, mint a ciklikus világegyetem (Big Bounce), vagy a különféle multiverzum-hipotézisek. Ha ezekből bármelyik igaz, azt a numerikus megoldásokban akár felismerhető jelek is megmutathatják.

A numerikus relativitás ugyanakkor rendkívül összetett feladat – ha könnyű lenne, már régen megoldottuk volna. A számítástechnika viszont hatalmasat fejlődött, a szuperszámítógépek pedig ma már képesek felvenni a harcot ezekkel az óriási problémákkal. A munka tehát teljes erővel zajlik tovább.