Przez siedemdziesiąt dwa miliony godzin superkomputer w zacisznym zakątku północnej Anglii przetwarzał prawa fizyki, aż w końcu wypluł ducha. Nie była to awaria ani przypadkowa sekwencja liczb, lecz odbicie: syntetyczny wszechświat tak precyzyjny, że jego twórcy twierdzą, iż jest nieodróżnialny od tego, w którym faktycznie żyjemy. Gdy obrazy w końcu zamigotały na monitorach na Durham University, naukowcy nie patrzyli na ziarniste przybliżenia; patrzyli na galaktyki, które miały dokładnie taką samą jasność, barwy i skupiska gwiazd, jakie widzimy przez najpotężniejsze istniejące teleskopy.
Projekt ten nie zrodził się z chęci zabawy w Boga. Była to desperacka próba uratowania obecnej wersji rzeczywistości. Przez ostatnie kilka lat świat kosmologii znajdował się w stanie cichej paniki. Dane napływające z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) zachowywały się niewłaściwie, pokazując nam starożytne galaktyki, które są o wiele za duże i o wiele za jasne, by nasze obecne teorie mogły to wyjaśnić. Niektórzy fizycy zaczęli szeptać, że nasz „model standardowy” wszechświata jest zniszczony ponad naprawę. Projekt COLIBRE — owoc dziesięcioletniej międzynarodowej pracy — został stworzony, aby sprawdzić, czy matematyka wciąż ma sens, czy też musimy podrzeć podręczniki i zacząć od nowa.
Skala obliczeń, o którą tu chodzi, jest trudna do pojęcia bez kufla piwa i kalkulatora. Aby uruchomić największą wersję tej symulacji, superkomputer COSMA8 pracował przez czas odpowiadający 8219 latom pracy pojedynczego procesora. Gdybyś spróbował zrobić to na swoim wydajnym laptopie do gier, maszyna prawdopodobnie roztopiłaby się w kałużę krzemu, zanim ukończyłaby choćby miliardową część pracy. Ta ogromna inwestycja cyfrowej energii była konieczna, ponieważ zespół postanowił przestać stosować skróty, które od dziesięcioleci nękały symulacje kosmosu.
Bariera dziesięciu tysięcy stopni
Aby zrozumieć, dlaczego ta symulacja jest inna, trzeba zrozumieć, dlaczego poprzednie były w zasadzie kreskówkami. Kosmos jest ogromny, ale też chaotyczny. Do tej pory astronomowie z trudem modelowali „zimne” gazy – wszystko poniżej około 10 000 stopni Fahrenheita. Choć dla człowieka brzmi to jak piec hutniczy, w skali kosmicznej jest to temperatura praktycznie zamrażająca. Ponieważ te zimne gazy i niesione przez nie chmury pyłu zachowują się w niezwykle skomplikowany, turbulentny sposób, wcześniejsze symulacje po prostu je pomijały. Ustawiały sztywną granicę na poziomie 10 000 stopni i miały nadzieję, że brakujące dane nie mają większego znaczenia.
Carlos Frenk, fizyk z Durham University i jeden z głównych architektów projektu, opisał moment ukończenia prac jako „ekscytujący”. Czym innym jest posiadanie teorii na papierze, a czym innym obserwowanie maszyny, która podąża za tą teorią i buduje galaktykę wyglądającą dokładnie tak, jak ta, którą widzimy, kierując teleskop w niebo. Gdyby symulacja wyprodukowała coś innego – plamy materii, które się nie skupiają, lub gwiazdy, które wypaliły się zbyt szybko – byłby to ostatni gwóźdź do trumny naszego rozumienia kosmosu.
Dlaczego fizyka przechodziła kryzys wieku średniego
Napięcie napędzające ten projekt wynika z konkretnego zestawu obserwacji, które od dłuższego czasu nie dają spokoju korytarzom NASA. Kiedy wystrzelono JWST, zaczął on dostrzegać rzeczy, których nie powinien: masywne galaktyki w bardzo wczesnym wszechświecie. Według modelu standardowego galaktyki te nie miałyby wystarczająco dużo czasu, aby urosnąć do takich rozmiarów. To tak, jakby wejść do żłobka i znaleźć noworodka, który ma 180 centymetrów wzrostu i potrafi recytować Szekspira. Nie miało to sensu i doprowadziło do serii nagłówków sugerujących, że Wielki Wybuch nigdy nie miał miejsca lub że grawitacja działa inaczej, niż sądziliśmy.
Jednak symulacja nie przyniosła jedynie pocieszenia. Wskazała również na rażący, rubinowy problem, który fizycy wciąż próbują wyjaśnić. Nawet przy 72 milionach godzin mocy obliczeniowej superkomputera, model wciąż nie potrafi w pełni wyjaśnić „Małych Czerwonych Kropkek” (ang. Little Red Dots). To klasa niezwykle jasnych, zwartych obiektów odkrytych przez JWST, które istniały, gdy wszechświat miał mniej niż miliard lat. Wyglądają jak galaktyki, ale są o wiele za gęste i wydają się znikać wraz ze starzeniem się wszechświata. Są kosmicznym odpowiednikiem opowieści o duchach – w jednej chwili są, w następnej znikają i odmawiają przestrzegania zasad.
Wady zabawy w wirtualnego boga
Każda symulacja to kompromis między dokładnością a skalą. Nawet przy mocy COSMA8 naukowcy musieli dokonać wyborów. Mogą modelować ogromną objętość wszechświata, ale nie są w stanie zobaczyć każdego pojedynczego kamyka czy asteroidy. Patrzą na skalę „makro” – na to, jak ciemna materia przyciąga gaz, jak czarne dziury w centrach galaktyk wyrzucają materię z powrotem w przestrzeń i jak siły te równoważą się na przestrzeni miliardów lat. To gra w kosmiczną księgowość i po raz pierwszy od bardzo dawna wydaje się, że bilans się zgadza.
Prawdziwa wartość COLIBRE nie polega tylko na udowodnieniu, że mamy rację; polega na stworzeniu placu zabaw, na którym możemy sprawdzić, gdzie możemy się mylić. Jeśli chcemy wiedzieć, co się stanie, gdy ciemna materia będzie „ciepła”, a nie „zimna”, albo jeśli chcemy zobaczyć, jak inny rodzaj wzrostu czarnej dziury wpływa na kształt galaktyki spiralnej, nie musimy czekać miliardów lat na eksperyment w świecie rzeczywistym. Po prostu zmieniamy linię kodu i uruchamiamy symulację ponownie. To laboratorium, w którym próbką jest cały wszechświat.
Istnieje również ludzki koszt takiej pracy, o którym rzadko się wspomina. Dekada życia naukowca to wysoka cena za oprogramowanie. Zespół z Durham i ich międzynarodowi partnerzy spędzili lata na doskonaleniu fizyki „podsiatkowej” – drobnych, ziarnistych szczegółów, które decydują o tym, jak gwiazdy zapalają się i gasną. To mozolna praca polegająca na debugowaniu, testowaniu i ponoszeniu porażek, a wszystko to po to, by uzyskać wynik, który – jeśli zadziała idealnie – wygląda dokładnie tak, jak to, co już znamy. To ostateczny paradoks nauki: pracujesz dziesięć lat tylko po to, by udowodnić, że świat jest dokładnie taki, jak podejrzewałeś.
Wszechświat zbudowany z matematyki
Jednym z najgłębszych wniosków płynących z projektu COLIBRE jest potwierdzenie, że nasz wszechświat jest w swojej istocie matematyczny. Jest coś głęboko niepokojącego – a może nieco pocieszającego – w fakcie, że można nakarmić maszynę podstawowymi równaniami grawitacji, termodynamiki i mechaniki płynów, a w zamian otrzymać „wszechświat”. Sugeruje to, że złożoność, którą widzimy, patrząc na Drogę Mleczną, nie jest dziełem przypadku ani cudem; jest nieuchronnością. Jeśli masz odpowiednie składniki i odpowiednie zasady, gwiazdy nie mają innego wyboru, jak tylko powstać.
Na razie model standardowy żyje i ma się dobrze. Przetrwał pierwszy kontakt z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, w dużej mierze dzięki ciężkiej pracy wykonanej w tamtej piwnicy w Durham. Może i żyjemy w wszechświecie, który jest chaotyczny, zimny i pełen pyłu, ale przynajmniej możemy wreszcie powiedzieć, że wiemy, jak ten pył osiada. A jeśli chodzi o rzeczy, których symulacja wciąż nie potrafi wyjaśnić? To właśnie te elementy sprawiają, że warto czekać na kolejne siedemdziesiąt dwa miliony godzin.
Comments
No comments yet. Be the first!