Туннели в пространстве-времени: зачем ученые моделируют кротовые норы на суперкомпьютерах
Мы часто представляем кротовые норы как порталы для космических путешествий — из научной фантастики. Но физики видят в них не только интригующую экзотику, но и способ проверить самые глубокие законы Вселенной. Один из таких проектов, поддержанный научно-технологической Гильдией «Рубежи науки», находится на стыке фундаментальной теории и передовых вычислительных технологий. Его цель — впервые детально смоделировать, что происходит с «заброшенной» кротовой норой, если она лишается материи, удерживающей её открытой.
Что такое кротовая нора и почему она схлопнется?
Кротовые норы — не выдумка сценаристов. Они возникают как одно из возможных решений уравнений общей теории относительности Эйнштейна. По сути, это гипотетические «мосты» или туннели, соединяющие удаленные области пространства-времени.
Проблема в том, что любой такой туннель стремится мгновенно захлопнуться под собственным тяготением. Чтобы этого не произошло, нужна так называемая экзотическая материя — вещество с отрицательной плотностью энергии, создающее эффект «антигравитации». Однако в реальной Вселенной ничего подобного пока не обнаружено.
«Мы ставим вопрос иначе, чем большинство предыдущих исследований, — поясняет Никита Широков, магистр физики МФТИ, независимый исследователь. — Не "как построить проходимую кротовую нору", а "что случится, если она возникла в квантовой пене на заре Вселенной, эволюционировала до макроскопических масштабов в эпоху инфляции, но сейчас осталась одна, без экзотической материи, поддерживающей ее открытой". Потеряв эту "подпорку", нора обречена. Но вот как именно она погибнет — мы и хотим выяснить».
Революция в вычислениях: почему физики переходят на GPU.
Уравнения Эйнштейна — это система сложных нелинейных дифференциальных уравнений, которые не решаются с помощью «ручки и бумаги». Для их решения уже полвека существует отдельное направление — численная относительность. И сегодня в этой области происходит настоящий тектонический сдвиг.
Бум искусственного интеллекта привел к стремительному развитию графических процессоров (GPU). Оказалось, что эти чипы, изначально созданные для рендеринга игр, а после для тренировки моделей машинного обучения, идеально подходят для распараллеливания тяжёлых математических операций.
«Если раньше расчет эволюции сливающихся черных дыр на классических суперкомпьютерах с обычными CPU мог занимать долгие недели, то современные GPU-кластеры с видеокартами архитектуры уровня Н100 сокращают время вычислений на порядки. То, что раньше считалось месяцами, теперь считается днями. Это дает огромный простор для численных экспериментов», — отмечает Никита.
В проекте используется передовая кодовая база GRTeclyn (наследница известного кода GRChombo), которая в настоящее время проходит адаптацию под GPU. Часть работы как раз и заключается в том, чтобы научить GRTeclyn просчитывать экстремальную гравитацию на GPU, добавляя недостающие физические модули.
Как «нарезать» пространство-время: стадия ADM.
Сейчас проект находится на этапе активного программирования, первых запусков на кластерах и анализа симуляций. В центре внимания — ADM-постановка.
Аббревиатура ADM складывается из фамилий физиков Арновитта, Дезера и Мизнера, которые в середине XX века предложили элегантный математический трюк. Вместо того чтобы пытаться описать четырёхмерное пространство-время целиком, его «нарезают» на трехмерные слои — подобно кадрам киноплёнки. Каждый кадр — это геометрия пространства в определенный момент времени.
«На данном этапе мы математически задаём самый первый "кадр": точную геометрию кротовой норы без поддерживающей материи в рамках ADM-формализма. Затем даём ей небольшое асимметричное возмущение и заставляем код просчитывать каждый следующий кадр на GPU. Так мы в динамике видим, как искривляется, рвётся или схлопывается само пространство», — рассказывает Никита.
Можно ли «увидеть» гибель кротовой норы в реальности?
На самом деле да — с помощью специальных телескопов, которые ловят особый вид излучения — гравитационное. Такие телескопы уже есть — это наземные лазерные интерферометры LIGO, Virgo и KAGRA. В 2015 году они впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния чёрных дыр. Им удалось это сделать только потому, что физики благодаря численной относительности заранее просчитали для них теоретический шаблон сигнала от слияния черных дыр.
«Если наша симуляция покажет, что схлопывающаяся кротовая нора даёт уникальный, ни на что не похожий паттерн, этот шаблон можно передать астрономам, — продолжает Никита Широков. — Они загрузят его в свои алгоритмы и начнут искать такие же всплески в реальных данных. Если же мы докажем, что нора рассеивается без излучения или сигнал неотличим от шума, это тоже огромный результат. Это даст космологам ответ на вопрос, почему мы до сих пор не наблюдаем реликтовые кротовые норы в современной Вселенной: без экзотической поддержки они просто не выживают в классическом вакууме».
В любом случае проект не просто проверяет экзотическую гипотезу. Он оттачивает методы численного моделирования, апробирует новые подходы суперкомпьютерных вычислений на GPU. Даже если кротовые норы останутся теоретической экзотикой, созданные сегодня инструменты помогут лучше понимать черные дыры, нейтронные звезды и саму ткань пространства-времени.