Было бы здорово, если бы компьютер ответил на все самые большие вопросы Вселенной?
В 2013 г., на первом курсе аспирантуры, Майкл Вагман вошел в кабинет своего руководителя и спросил: "Не могли бы вы помочь мне смоделировать Вселенную?".
Вагману, физику-теоретику и младшему научному сотруднику Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США, этот вопрос показался вполне разумным. "У нас есть все эти прекрасные теоретические описания того, как, по нашему мнению, устроен мир, и я хотел попытаться связать эти формальные законы физики с моим повседневным опытом реальности", - говорит он.
По словам Вагмана, в ответ на этот вопрос его консультант усмехнулся. Моделирование Вселенной невозможно. Слишком много переменных, слишком многого мы не понимаем.
Но тот факт, что мы можем использовать компьютеры для моделирования чего бы то ни было с некоторой долей точности, является гигантским скачком в развитии техники по сравнению с тем, что было всего лишь столетие назад. Именно поэтому ученые, подобные Вагману, не останавливаются в своем стремлении разгадать основной код Вселенной.
В книге "Вселенная в коробке", опубликованной в этом году, профессор космологии Университетского колледжа Лондона (UCL) Эндрю Понтцен подкрепляет эти усилия, прослеживая прогресс человечества на пути к моделированию Вселенной.
История компьютерного моделирования
По словам Понтцена, моделирование - это своего рода гипотетические эксперименты. "Мы задаем гипотетические ситуации в компьютерах, которые мы запрограммировали - в нашем случае, с помощью определенных законов физики - и затем просим компьютер выяснить последствия этой ситуации. Что должно произойти дальше?"
По его словам, любопытные умы занимались моделированием таким образом с глубокой древности. Более 2000 лет назад древние греки использовали рудиментарный компьютер, названный Антикитерским механизмом, для расчета наступления астрономических событий, например, затмений.
Но, пожалуй, первое упоминание о более современной концепции моделирования встречается в трудах Ады Лавлейс, английского математика и пионера вычислительной техники. В середине XIX века Лавлейс работала вместе с английским эрудитом и изобретателем Чарльзом Бэббиджем, который задумал создать предшественника современного компьютера под названием "Аналитический двигатель". Построить его не удалось, но его целью было создание машины, способной выполнять бесконечное множество вычислений, просто меняя кодированные инструкции, подаваемые ей на полоски карты.
По словам Понтцена, Лавлейс осознала потенциал "Аналитического двигателя". "Она писала о том, что эта машина может вывести [теоретическую] науку из состояния погони за абстрактными уравнениями и превратить ее в нечто гораздо более практичное".
В начале ХХ века математик и метеоролог Льюис Фрай Ричардсон предложил построить гигантский амфитеатр, заполненный математиками, которые бы совместно проводили расчеты для создания симуляций, предсказывающих погоду. "Он считал, что уравнения физики, описывающие поведение материалов, могут быть применены к материалам земной атмосферы", - говорит Понтцен. "По сути, это то, чем сегодня занимаются современные симуляторы погоды".
Одним из самых ранних примеров использования компьютерных симуляторов в космологии является работа Беатрис Тинсли, выполненная в конце 1960-х годов. Тинсли, астроном и космолог (и первая женщина-профессор астрономии в Йельском университете), использовала моделирование, чтобы показать, что при наблюдении далеких галактик ученые не только смотрят в прошлое, но и свет от этих далеких галактик должен меняться по мере взросления галактик. Этот эффект старения изменил интерпретацию ранних карт Вселенной, составленных космологами.
"Она построила эти симуляции, которые по сегодняшним меркам считались бы очень примитивными, но все же это были узнаваемые симуляции, в которых она показала, что, учитывая то, что мы знаем о Вселенной, далекие и близкие галактики сильно отличаются друг от друга", - говорит Понтцен. "И в каком-то смысле все, что мы сделали с тех пор, - это плоть на костях этой идеи о том, что галактики сильно меняются со временем".
Разбираясь в космических проблемах
Хотя ученые пока не могут смоделировать всю эволюцию Вселенной, им удалось с помощью моделирования узнать о таких явлениях, которые они не могут обнаружить напрямую, как темная материя и темная энергия.
Например, данные, полученные с помощью космического телескопа "Хаббл", показали, что Вселенная расширяется с ускорением", и это явление приписывается темной энергии, - говорит Понтцен. "Это было очень интересно, но не стало полной неожиданностью, поскольку моделирование уже показало, что это, скорее всего, правда".
Космологи и физики используют моделирование, чтобы лучше понять, как устроена Вселенная в космическом времени: Как образуются определенные структуры? Как эволюционируют типичные галактики?
Моделирование отдельных аспектов Вселенной, безусловно, полезно, но, рассматривая только один аспект, невозможно получить общую картину функционирования Вселенной, говорит Дорота Грабовска, физик-теоретик и доцент Вашингтонского университета.
"У нас все еще остается много вопросов о динамике ранней Вселенной, и очень трудно понять, как рассчитать некоторые ее компоненты", - говорит Грабовска. "Было бы гораздо проще, если бы я могла просто ввести начальное состояние, когда Вселенная только зародилась, а затем просто позволить ей естественным образом развиваться со временем и провести некоторые измерения. Но это очень трудно сделать по целому ряду причин".
Одна из проблем заключается в том, что Стандартная модель физики частиц объясняет три из четырех фундаментальных сил природы - электромагнитную, слабую и сильную, но не четвертую - гравитацию.
"Мы не знаем, как смоделировать гравитацию", - говорит Вагман. "Мы знаем, что общая теория относительности Эйнштейна и закон тяготения Ньютона являются хорошими приближениями, которые очень хорошо работают при низких энергиях, но математика, заложенная в них, разрушается, когда вы пытаетесь задать вопросы о сверхвысоких энергетических состояниях, таких как условия Большого взрыва".
Остальные три силы, конечно, тоже нелегко моделировать.
Так, например, сильная сила управляет взаимодействием фундаментальных частиц, из которых состоят протоны и нейтроны. Эти взаимодействия, описываемые квантовой хромодинамикой, или КХД, настолько сильно связаны друг с другом, что нет четкого разграничения, какие аспекты могут быть важнее других, чтобы можно было делать даже приближенные расчеты. "Многие наши методы расчета с помощью ручки и бумаги не работают, потому что мы не можем делать приближения", - говорит Грабовска.
Чтобы обойти эту проблему, ученые используют квантовые вычисления для численного моделирования с использованием статистической выборки, которая позволяет получить вероятности различных исходов, но только на временном интервале, отличающемся от реальности. "Это означает, что мы не моделируем КХД в том виде, в котором она существует в нашей Вселенной", - говорит Грабовска. "Мы моделируем ту, которая похожа и может быть непосредственно связана, но это не то же самое".
Для наиболее сложных симуляций ученые придумали расчеты, компенсирующие то, что они не понимают, и делающие предположения на основе того, что они понимают. "Моделирование Вселенной может показать нам, что можно считать правдоподобным, учитывая то, что мы уже знаем", - говорит Понтцен. "Моделирование просто сопровождается целым рядом оговорок, позволяющих сделать моделирование работоспособным".
Возможности моделирования Вселенной
Даже если бы ученые смогли придумать, как описать все четыре фундаментальные силы в реальном времени, и даже если бы они поняли все законы физики, компьютерная мощность, необходимая для моделирования Вселенной, все равно остается недосягаемой.
Если цель состоит в том, чтобы охватить в симуляции все, что есть во Вселенной, это означает, что на каждый атом во Вселенной должен приходиться один атом в симуляции. "На Земле нет ни одного компьютера, который был бы способен на это", - говорит Понтцен. "Вселенная просто слишком сложна. В ней просто слишком много всего".
С другой стороны, - говорит Вагман, - "границы того, насколько большую Вселенную мы можем смоделировать, постоянно расширяются как за счет увеличения вычислительной мощности, так и, что еще более важно, за счет того, что люди придумывают более совершенные алгоритмы, позволяющие нам более эффективно моделировать более сложные вещи".
Моделирование показывает нам, что является правдоподобным, и мы можем делать предсказания о том, как устроен мир природы, и во многих случаях эти предсказания оказываются верными.
"Это не означает, что все правильно, на самом деле все правильно быть не может", - говорит Вагман. "Но это дает нам некоторую уверенность в том, что мы находимся на правильном пути. Это учит нас чему-то, и мы можем продолжать строить все более точное представление о Вселенной".