Model cyfrowy relatywistycznego wszechświata

Symulacja cyfrowa w naukach powoduje radykalną zmianę w metodologii badań.Powstają rozbudowane działy nauk ,np. fizyka komputerowa,astrofizyka komputerowa,chemia komputerowa,itd.W praktyce ,powstające rozdziały danej nauki, prezentują dosyć szybko luźne związki z macierzą i mają ambicje formowaania samodzielnej dyscypliny.

Korzyści z nich ,czesto są neutralizowane stratami.Symulacja zjawiska - nie jest zjawiskiem przyrody ,a jest tylko jego modelem.Jeśli zjawisko nie jest osiągalne do bezpośredniego badania [eksperymentu,obserwacji], to symulacja cyfrowa poszerza wiedzę o nim [o ile znamy prawdziwe prawoa nim rządzące].

W astrofizyce, symulacja cyfrowa staje się coraz potężniejszą metodą tworzenia wiedzy spekulatywnej o wielkoskalowej czasoprzestrzeni wszechświata,która przecież nie jest dostępna aktuanie zbudowanym instrumentom optycznym.Właśnie w pierwszych dniach marca br. czasopismo Nature -Physics [1] opublikowało raport zespołu uniwersytetu genewskiego , kierowanego  dr Juliana Adamka z symulacji tworzenia się struktur wielkoskalowych według równań ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.

Zespół pracował na hybrydowym super-komputerze Cray XC30 Piz Daint o wydajności szczytowej 7.787 Petaflops ,będącym własnością The Swiss National Supercomputing Centre[CSCS].CSCS jest autonomiczną jednostką Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu [ETH] ) i współpracuje z miejscowy uniwersytetem Lugano.

dr.J.Adamek,urodził się w 1981 r.w Wuerzburgu. Na miejscowym uniwersytecie uzyskał dwie specjalizacje: z fizyki oraz z teorii informacji Pracę doktorską: "Classical and Quantum Aspects ofAnisotropic Cosmology" obronił w roku 2011 na tym samym uniwersytecie. Specjalizuje się w relatywistycznej ,kwantowej oraz komputerowej kosmologii.Pracował na uniwersytecie w Genewie ,od stycznia br.wObservatoire de Paris Meudon.

Genewska grupa kosmologów stworzyła program symulacyjny do prześledzenia rozwiązań równań Ogólnej Teorii Względności [ GR/OTW] Alberta Einsteina i nazwała go "Gevolution". Program ten pozwolił im odtworzyć dynamikę czasoprzestrzeni wszechświata w ujęciu ewolucyjnym,to jest : w trakcje powstawania i ewolucji kosmicznych struktur materialnych [gwiazd,galaktyk,gromad galaktyk].

W sześcianie o krawędzi ok.2,5 miliardów lat świtelnych zielone elipsy to fale grawitacyjne powstające podczas formowania się struktur materialnych wszechświata,reprezentowanych przez jasne ziarna.

Wielkość elipsy jest proporcjonalna do amplitudy fali, ich orientacja oznacza polaryzację (Foto:R. Durrer Univ.Genewa).

.Dynamika ta opiera się na zmianach metryki i krzywizny czasoprzestrzeni, czyli na powstawaniu fal grawitacyjnych ,oraz na efekcie "Lense-Thirring Effect " polegającym na wleczeniu czasoprzestrzeni przez wirujące wielkie masy,np.gwiazdy,galaktyki spiralne.

Ten swoisty test OTW daje model wszechświata,który może -w trakcie ewolucji-pokazać pojawienie hipotetycznych substancji; ciemnej materii i ciemnej energii.Genewskiej grupie computationl cosmology nie udało się -w tym procesie symulacji- tego uzyskać z powodu krótkiego czasu pracy.Wyliczono, że budowa modelu symulacyjnego ewolucji struktur kosmicznych do czasu aktualnego[czyli do momentu odkrycia wzrostu przyspieszenia ekspansji czasoprzestrzeni] wymaga ok.115 000 godzin pracy super-komputeraCray XC30 Piz Daint, co w przybliżeniu jest równe ok. 13 lat !

Prof.Ruth Durrer,kierownik naukowy grupy kosmologów  Univ.Genev

Tymczasem Albert Einstein w ciągu kilkuu miesięcy sformułował w całości ogólną teorię względności OTW zamkniętą w sześciu równaniach nieliniowych różniczkowych.A w następnych dwóch miesiącach, intuicyjnie przewidział główne relatywistyczne własności czasoprzestrzeni kosmicznej.Doświadczenie umysłu ludzkiego w obliczu tajemnic przyrody, niewiele ma wspólnego z pracą najlepszego super-komputera .

Literatura

[1] J.Adamek,D,M.Kunz,I.Daverio,R,Durrer,General relativity and cosmic structure formation,Nature,2016,doi:10.1038/nphys3673 arxiv: 1509.01699v1  

[2]Springel, V.et al. Simulating the joint evolution of quasars, galaxies and their large-scale distribution. Nature 435,2005.p. 629–636

[3] Bruni, M., Thomas, D. B. & Wands, D. Computing general relativistic effects from Newtonian N-body simulations: frame dragging in the post-Friedmann approach. Phys. Rev. D 89,2014.