Întrebarea despre ce a existat înainte de Big Bang a fost mult timp considerată un subiect tabu, la granița dintre fizică și metafizică. Totuși, o nouă lucrare de sinteză, publicată în Living Reviews in Relativity, sugerează că am putea avea, în sfârșit, instrumentele necesare pentru a aborda științific această enigmă. O echipă formată din cosmologul Eugene Lim de la King’s College London și astrofizicienii Katy Clough de la Queen Mary University of London și Josu Aurrekoetxea de la Oxford University propune o cale inovatoare: utilizarea relativității numerice.
Această metodă se bazează pe simulări computerizate de o complexitate extraordinară pentru a rezolva numeric ecuațiile gravitației formulate de Einstein, în special în condiții extreme unde soluțiile analitice eșuează. Autorii susțin că aplicarea relativității numerice în cosmologie ar putea oferi răspunsuri la unele dintre cele mai profunde întrebări ale existenței: trăim într-un multivers? A intrat Universul nostru în coliziune cu un altul? Sau, poate, istoria cosmică este o succesiune de explozii și contracții?
Problema fundamentală este că, derulând timpul cosmic înapoi, ecuațiile relativității generale ne conduc inevitabil către o singularitate – o stare de densitate și temperatură infinite, unde legile cunoscute ale fizicii își pierd valabilitatea. Cosmologii nu pot rezolva ecuațiile în aceste medii, deoarece ipotezele simplificatoare pe care se bazează în mod normal devin invalide. Același impas se aplică și în studiul altor obiecte cu gravitație extremă, precum găurile negre.
Una dintre aceste ipoteze esențiale este că Universul este „izotrop” și „omogen” – adică arată la fel în toate direcțiile și din orice punct de observație. Deși aceasta este o aproximare excelentă pentru cosmosul actual și facilitează rezolvarea ecuațiilor lui Einstein în majoritatea scenariilor, nu avem nicio garanție că a fost valabilă și în momentul Big Bang-ului.
„Poți căuta doar în jurul stâlpului de iluminat, dar nu poți explora zonele întunecate, pentru că pur și simplu nu poți rezolva ecuațiile acolo. Relativitatea numerică îți permite să te aventurezi în regiunile îndepărtate de lumina stâlpului.”, explică Lim.
Dincolo de stâlpul de iluminat: ce a fost înainte de Big Bang
Conceptul de relativitate numerică a apărut în anii 1960 și 1970, ca o tentativă de a calcula ce tip de unde gravitaționale ar fi emise la coliziunea a două găuri negre. Acesta este un scenariu atât de extrem, încât rezolvarea ecuațiilor doar cu creionul și hârtia este imposibilă, necesitând coduri computerizate avansate și aproximări numerice.
Dezvoltarea domeniului a accelerat odată cu propunerea experimentului LIGO în anii ’80, deși o soluție completă la problema coliziunii găurilor negre a fost obținută abia în 2005. Succesul a demonstrat potențialul imens al metodei pentru rezolvarea altor mistere cosmice.
Unul dintre aceste mistere, care îl preocupă în mod deosebit pe Lim, este inflația cosmică – o perioadă de expansiune exponențială în universul timpuriu. Teoria inflației explică de ce universul observabil este atât de uniform, întinzând o regiune inițial mică la dimensiuni vaste. „Dacă elimini inflația, multe aspecte ale modelului standard se prăbușesc”, afirmă Lim. Cu toate acestea, nimeni nu a putut explica în mod convingător ce a declanșat această expansiune fulgerătoare.
Dificultatea constă în faptul că, pentru a investiga acest fenomen cu ecuațiile lui Einstein, cosmologii trebuie să presupună că universul era deja omogen și izotrop la început – exact caracteristica pe care inflația ar trebui să o explice. Relativitatea numerică ar putea ocoli această problemă circulară, permițând testarea unor condiții inițiale radical diferite. Deoarece numărul acestor condiții este infinit, Lim speră să folosească metoda pentru a verifica predicțiile unor teorii mai fundamentale care ar putea genera inflația, cum ar fi teoria corzilor.
Corzi cosmice și Universuri în coliziune
Perspectivele deschise de relativitatea numerică sunt vaste. Fizicienii ar putea simula undele gravitaționale generate de obiecte ipotetice precum corzile cosmice – defecte topologice subțiri, considerate „cicatrici” în țesătura spațiu-timp – ajutând astfel la confirmarea existenței lor. De asemenea, ar putea prezice ce fel de „vânătăi” ar lăsa pe cerul nostru o coliziune cu un univers vecin, oferind o cale de a testa empiric teoria multiversului.
Poate cea mai fascinantă posibilitate este explorarea unui univers anterior Big Bang-ului. Unele modele teoretice propun un cosmos ciclic, care trece prin „salturi” repetate, experimentând o serie de renașteri, Big Bang-uri și Big Crunch-uri. Aceasta este o problemă extrem de dificilă de abordat analitic. „Universurile care sar sunt un exemplu perfect, deoarece ating regimuri de gravitație puternică unde nu te poți baza pe simetrii. Mai multe grupuri de cercetare lucrează deja la acest subiect – un domeniu aproape inexistent în trecut.”, spune Lim.
Simulările de relativitate numerică sunt atât de solicitante, încât necesită puterea de calcul a supercomputerelor. Pe măsură ce tehnologia avansează, înțelegerea noastră asupra universului se va aprofunda. Lim speră că noua lor lucrare va servi drept punte între comunitățile de cosmologi și de relativiști numerici, încurajând colaborarea.
„Sperăm să dezvoltăm această intersecție, astfel încât relativiștii numerici să își poată folosi tehnicile pentru a explora probleme cosmologice, iar cosmologii să poată utiliza relativitatea numerică pentru a răspunde la întrebările care le-au fost până acum inaccesibile”, concluzionează cercetătorul.
