Jak numeryczna teoria względności może odpowiedzieć na najtrudniejsze pytania kosmologii.
Pytanie, którego nie wolno zadawać?
Często słyszymy, że pytanie: „Co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem?” jest „nienaukowe” lub „bezsensowne”. W tradycyjnej kosmologii odpowiedź brzmiała: nic – czasoprzestrzeń zaczęła się wraz z Wielkim Wybuchem. Jednak nowe badania podejmują to zagadnienie w sposób poważny, wykorzystując niezwykle złożone symulacje komputerowe oparte na równaniach Alberta Einsteina.
Równania Einsteina i granice naszej wiedzy
Ogólna teoria względności opisuje grawitację nie jako „siłę”, lecz jako zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane przez masę i energię. Dzięki tym równaniom możemy zrozumieć ruch planet, ewolucję gwiazd czy strukturę galaktyk.
Problem pojawia się, gdy cofamy się w czasie ku początkowi Wszechświata. W obliczeniach nieuchronnie napotykamy osobliwość – stan o nieskończonej gęstości i temperaturze, w którym prawa fizyki tracą sens. Podobny impas dotyczy czarnych dziur: matematyka prowadzi do punktów, gdzie nasze obecne teorie zawodzą.
Kosmologia w krzywym zwierciadle: jednorodność i izotropia
Aby rozwiązać równania Einsteina, kosmolodzy zwykle przyjmują dwa uproszczenia:
- Jednorodność – Wszechświat wszędzie ma tę samą gęstość i własności.
- Izotropia – Wszechświat wygląda tak samo w każdym kierunku.
To doskonałe przybliżenie dla kosmosu, który widzimy dziś w obserwacjach astronomicznych. Ale czy takie założenie było prawdziwe w chwili Wielkiego Wybuchu? Jeśli nie, nasze modele początków Wszechświata mogą być zbyt uproszczone.
Narodziny numerycznej teorii względności
W latach 60. i 70. XX wieku fizycy opracowali numeryczną teorię względności – metodę rozwiązywania równań Einsteina przy pomocy komputerów. Początkowo miała ona odpowiedzieć na pytanie: jakie fale grawitacyjne powstają, gdy zderzają się czarne dziury?
Dzięki postępowi technologicznemu – zwłaszcza w kontekście projektu LIGO, który w latach 80. rozpoczął przygotowania do detekcji fal grawitacyjnych – rozwój tej dziedziny przyspieszył. Przełom nastąpił dopiero w 2005 roku, gdy symulacje pozwoliły poprawnie przewidzieć sygnały z łączenia się czarnych dziur. Od tamtej pory naukowcy liczą, że te metody pomogą odpowiedzieć także na inne kosmiczne zagadki.
Schematyczna wizualizacja historii Wszechświata od Wielkiego Wybuchu do chwili obecnej. Czas znajduje się na osi pionowej; rozmiar („objętość”) na osiach poziomych. Wszystkie osie mają skale logarytmiczne. Dokładna historia tempa inflacji w przeszłości nie jest znana, dlatego ten typ diagramu jedynie ilustruje ideę. Możliwe jest na przykład, że po okresie gwałtownej inflacji Wszechświat miał rozmiar grejpfruta lub rozmiar galaktyki. Źródło: Wikimedia Commons
Inflacja kosmiczna – niewyjaśniony mechanizm
Jednym z największych pytań współczesnej kosmologii jest inflacja – krótki okres gwałtownej ekspansji, który miał miejsce tuż po Wielkim Wybuchu. Inflacja tłumaczy, dlaczego Wszechświat na dużą skalę jest tak jednorodny i gładki.
Problem w tym, że nikt nie potrafi wskazać dokładnego mechanizmu, który ją uruchomił. A żeby opisać inflację w ramach równań Einsteina, fizycy muszą… założyć, że Wszechświat już od początku był jednorodny i izotropowy. To błędne koło: aby udowodnić inflację, musimy najpierw przyjąć jej efekty.
Numeryczna teoria względności mogłaby pomóc wyjść z tej pułapki – umożliwiając testowanie scenariuszy, w których wczesny Wszechświat nie był tak uporządkowany.
Struny kosmiczne, multiwersum i cykliczny kosmos
Numeryczne symulacje otwierają także drogę do sprawdzenia bardziej egzotycznych hipotez:
- Struny kosmiczne – hipotetyczne, cienkie i niezwykle gęste „blizny” w czasoprzestrzeni, które mogłyby generować charakterystyczne fale grawitacyjne. Gdyby udało się je wykryć, mielibyśmy dowód na istnienie zjawisk przewidywanych przez teorię strun.
- Zderzenia wszechświatów – jeśli nasz kosmos jest tylko częścią szerszego multiwersum, mogły istnieć kolizje między sąsiednimi wszechświatami. Pozostałością mogłyby być subtelne ślady – „siniaki” w rozkładzie promieniowania tła kosmicznego.
- Wszechświat cykliczny – być może Wielki Wybuch nie był początkiem, lecz kolejnym etapem nieskończonego cyklu narodzin i upadków kosmosu. W takim modelu Wszechświat wielokrotnie zapada się i odradza w nowej formie.
Superkomputery i przyszłość badań
Symulacje numerycznej teorii względności to zadania tak skomplikowane, że wymagają mocy obliczeniowej superkomputerów. Z każdą dekadą, wraz z rozwojem technologii, stają się one coraz dokładniejsze i pozwalają analizować scenariusze, które dawniej były poza zasięgiem matematyki.
Być może już w niedalekiej przyszłości dzięki tym badaniom zbliżymy się do odpowiedzi na pytanie, które dziś wydaje się zakazane: co działo się przed Wielkim Wybuchem?
Więcej informacji: publikacja Josu C. Aurrekoetxea et al, Cosmology using numerical relativity, Living Reviews in Relativity (2025). DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Źródło ilustracji: Gabriel Fitzpatrick dla FQxI, FQxI (2025)
