Главной задачей астрофизики, по большому счету, является попытка описать мир вокруг нас на языке математики. Иметь такое описание — значит уметь предсказать его состояние в любой момент времени. Кеплер, описавший движения планет с помощью своих трех законов, дал нам возможность в любую секунду узнать, где сейчас находится Юпитер, Земля или любая планета во Вселенной, если нам известны некие исходные данные. Ту же самую задачу, но уже в масштабах всей Вселенной, ставят перед собой создатели космологических симуляций.
У этого подхода (до сих пор единственного, доступного человечеству) есть два недостатка: во-первых, каждый закон работает только в каком-то приближении. Так, законы Кеплера являются частным случаем закона тяготения Ньютона, который является частным случаем Общей теории относительности Эйнштейна, которая обобщается еще более всеобъемлющей, но пока неоткрытой теорией. А во-вторых, все физические законы работают одновременно, поэтому даже применяя ОТО мы не получим точную траекторию Земли, если не будем учитывать давление солнечного света, влияния магнитных полей, влияние метеоритов, пыли, темной материи и так далее.
Таким образом, полностью описать состояние какого-либо тела или явления математически можно, но это будет набор уравнений из всех областей физики, которые еще надо свести друг с другом. А если таких тел много и они все взаимодействуют друг с другом? И это еще мы не учитываем тот факт, что мы понимаем физику только 4 процентов материи Вселенной, в то время как оставшиеся 96 процентов (темная материя и темная энергия) влияют на нас, но до конца не изучены и их состав мы не понимаем.
Как же в таком случае понять, как изначально однородная и довольно однообразная по составу Вселенная превратилось в такое интересное место для жизни? Наблюдения в телескопы помогают проникать в тайны Вселенной, но ограничения тут такие же как и в стриптиз-баре: «смотреть можно, трогать нельзя», мы видим звезды и галактики только так, как они позволяют нам рассмотреть их. Ни повернуть, ни приблизить, ни искусственно столкнуть их мы не можем. Работы астрофизиков-теоретиков, конечно, помогают добавить несколько кусочков в очень фрагментированный паззл под названием «что мы знаем о Вселенной», но их предсказания бывает трудно проверить. Особенно это касается космологов, разбирающихся с первыми мгновениями жизни Вселенной. А зачастую одновременно сосуществуют несколько теорий, по разному объясняющих одни и те же наблюдательные явления, так что ситуация становиться только более запутанной.
Насколько же удобнее было бы иметь всю Вселенную на компьютере, чтобы ее можно было повернуть удобным нам боком, рассмотреть в деталях, остановить время или отмотать его на несколько миллиардов лет назад и заново посмотреть этот захватывающий ролик! Именно тут нам нужны симуляции.
Космологическая симуляция — это программа, которой задается начальное состояние некоторого количества частиц и законы их поведения. После этого она предоставляется сама себе и рассчитывает свойства и взаимодействие этих частиц во времени (каждая частица может быть звездой, галактикой, участком темной материи конкретной массы или просто неким объемом Вселенной ограниченного размера). Космологические симуляции сейчас — это не просто способ получения красивых роликов. Это еще один из способов познания Вселенной. По результатам подобных вычислений пишутся научные статьи и защищаются диссертации. И если предсказания симуляций вдруг не сходятся с результатами наблюдений, то, — как это ни парадоксально на первый взгляд, — это не всегда указывает на ошибки в программе. Зачастую это становится веской причиной пересмотреть существующую интерпретацию наблюдений.
Попытки моделировать физические системы на компьютере начались практически одновременно с появлением компьютеров (расчет прочности моста или подъемной силы крыла самолете, например, это тоже своего рода симуляция). Да и все мы, кто на уроках информатики писали простую программу по движению упругих тел в замкнутой системе, фактически, делали простейшую космологическую симуляцию. Однако, качественный скачок в сложности подобных программ случился в конце XX века, когда вычислительные мощности компьютеров позволили одновременно просчитывать свойства (положение, импульс и массу) частиц, описываемых более сложными законами, чем просто упругое соударение.
Iillustris