«Машина Бога» в подвале Даремского университета

В течение семидесяти двух миллионов часов суперкомпьютер в тихом уголке Северной Англии «перемалывал» законы физики, пока не породил призрак. Это был не сбой и не случайная последовательность чисел, а отражение: синтетическая Вселенная настолько точная, что ее создатели утверждают, будто она неотличима от той, в которой мы живем. Когда изображения наконец замелькали на мониторах Даремского университета, исследователи увидели не зернистые аппроксимации, а галактики, обладающие теми же светимостью, цветом и звездными скоплениями, которые мы наблюдаем через самые мощные из существующих телескопов.

Этот проект не был продиктован желанием поиграть в Бога. Это была отчаянная попытка спасти текущую версию реальности. Последние пару лет мир космологии пребывал в состоянии тихого паники. Данные, поступающие с космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), вели себя странно, демонстрируя нам древние галактики, которые оказались гораздо больше и ярче, чем позволяют объяснить наши нынешние теории. Некоторые физики начали поговаривать, что наша «стандартная модель» Вселенной разрушена без возможности восстановления. Проект COLIBRE — результат десятилетней международной работы — был создан, чтобы выяснить, выдерживают ли математические расчеты проверку или нам нужно выбросить свод правил и начать всё сначала.

Огромный масштаб вычислений сложно осознать без кружки пива и калькулятора. Чтобы запустить крупнейшую версию этой симуляции, суперкомпьютер COSMA8 работал эквивалент 8219 лет жизни одного процессора. Если бы вы попытались сделать это на своем мощном игровом ноутбуке, машина, скорее всего, расплавилась бы в лужу кремния, не успев завершить даже миллиардную долю работы. Столь масштабные затраты цифровой энергии потребовались потому, что команда решила отказаться от упрощений, которые десятилетиями преследовали космические симуляции.

Десятитысячеградусный барьер

Чтобы понять, чем эта симуляция отличается от других, нужно осознать, почему предыдущие по сути были «мультфильмами». Космос велик, но он также хаотичен. До сих пор астрономы с трудом моделировали «холодные» газы — все, что холоднее 10 000 градусов по Фаренгейту (около 5500 градусов Цельсия). Хотя для человека это звучит как доменная печь, в космических масштабах это практически замерзание. Поскольку эти холодные газы и переносимые ими пылевые облака ведут себя невероятно сложно и турбулентно, ранние симуляции просто исключали их. Они устанавливали жесткий порог в 10 000 градусов и надеялись, что недостающие данные не имеют большого значения.

Карлос Фрэнк, физик из Даремского университета и один из главных архитекторов проекта, описал момент завершения как «воодушевляющий». Одно дело иметь теорию на бумаге, и совсем другое — наблюдать, как машина следует этой теории и строит галактику, которая выглядит точно так же, как та, что мы видим, направляя телескоп в небо. Если бы симуляция выдала что-то иное — комки материи, которые не соединяются, или звезды, которые гаснут слишком быстро, — это стало бы последним гвоздем в крышку гроба нашего понимания космоса.

Почему физика столкнулась с кризисом среднего возраста

Напряженность, движущая этим проектом, исходит из конкретного набора наблюдений, которые преследуют коридоры NASA. Когда JWST начал работу, он увидел то, чего видеть не должен был: массивные галактики в самой ранней Вселенной. Согласно стандартной модели, у этих галактик не было достаточно времени, чтобы стать такими большими. Это было похоже на то, как если бы вы зашли в детскую и обнаружили новорожденного ростом под два метра, читающего Шекспира. Это не имело смысла и привело к шквалу заголовков, предполагающих, что Большого взрыва никогда не было или что гравитация работает иначе, чем мы думали.

Однако симуляция не просто предложила утешение. Она также подсветила яркую, «рубиновую» проблему, которую физики до сих пор не могут объяснить. Даже с 72 миллионами часов мощности суперкомпьютера модель все еще не может полностью объяснить «маленькие красные точки» (Little Red Dots). Это класс невероятно ярких компактных объектов, обнаруженных JWST, которые существовали, когда Вселенной было менее миллиарда лет. Они выглядят как галактики, но они слишком плотные и, кажется, исчезают по мере того, как Вселенная стареет. Это космический эквивалент истории о призраках — они есть в одну минуту, исчезают в следующую и отказываются следовать правилам.

Компромиссы игры в виртуального бога

Любая симуляция — это компромисс между точностью и масштабом. Даже с мощностью COSMA8 исследователям пришлось делать выбор. Они могут смоделировать огромный объем Вселенной, но не могут увидеть каждый отдельный камень или астероид. Они рассматривают «макро»-масштаб: то, как темная материя притягивает газ, как черные дыры в центрах галактик выбрасывают материал обратно в космос и как эти силы уравновешиваются на протяжении миллиардов лет. Это игра в космическую бухгалтерию, и впервые бухгалтерские книги, кажется, наконец сошлись.

Истинная ценность COLIBRE заключается не только в доказательстве нашей правоты; она дает нам игровую площадку для проверки того, где мы можем ошибаться. Если мы хотим знать, что произойдет, если темная материя будет «теплой», а не «холодной», или увидеть, как другой тип роста черных дыр влияет на форму спиральной галактики, нам не нужно ждать миллиарды лет для реального эксперимента. Мы просто меняем строку кода и снова запускаем симуляцию. Это лаборатория, где образцом является вся Вселенная.

У такой работы есть и человеческая цена, о которой часто не упоминают. Десятилетие жизни ученого — высокая цена за программное обеспечение. Команда из Дарема и их международные партнеры потратили годы на совершенствование «подсеточной» физики — крошечных, гранулярных деталей, которые определяют, как звезды зажигаются и умирают. Это рутинная работа по отладке, тестированию и неудачам, и все это ради результата, который, если он работает идеально, выглядит в точности как то, что мы уже знаем. Это главный парадокс науки: вы работаете десять лет только для того, чтобы доказать, что мир именно такой, каким вы его себе представляли.

Вселенная, сделанная из математики

Один из самых глубоких выводов проекта COLIBRE — подтверждение того, что наша Вселенная фундаментально математична. Есть нечто глубоко тревожное — и, возможно, немного утешительное — в том факте, что можно подать базовые уравнения гравитации, термодинамики и гидродинамики в машину и получить «Вселенную» на выходе. Это говорит о том, что сложность, которую мы видим, глядя на Млечный Путь, — не случайность и не чудо; это неизбежность. Если у вас есть правильные ингредиенты и правильные правила, у звезд нет иного выбора, кроме как сформироваться.

На данный момент стандартная модель жива и готова бороться дальше. Она пережила первый контакт с космическим телескопом «Джеймс Уэбб» во многом благодаря титанической работе, проделанной в том самом подвале в Дареме. Мы, возможно, живем во Вселенной, которая хаотична, холодна и наполнена пылью, но, по крайней мере, мы наконец можем сказать, что знаем, как эта пыль оседает. А что касается вещей, которые симуляция все еще не может объяснить? Именно они делают следующие семьдесят два миллиона часов ожидания стоящими того.