Czy komputer może kiedyś odpowiedzieć na wszystkie najważniejsze pytania wszechświata? To pytanie, które nasuwa się w obliczu pionierskich prac naukowców takich jak Michael Wagman, fizyk teoretyczny z Fermilab National Accelerator Laboratory. Wagman, zafascynowany możliwością powiązania teoretycznych praw fizyki z codziennym doświadczeniem rzeczywistości, zadał sobie pytanie o modelowanie wszechświata.

Chociaż pomysł ten wydawał się niemożliwy do zrealizowania z powodu niezliczonych zmiennych i niezrozumiałych aspektów, postęp w technologii komputerowej z ostatniego stulecia otwiera nowe horyzonty. Współczesne symulacje komputerowe, choć jeszcze dalekie od modelowania całego wszechświata, pozwalają naukowcom na coraz głębsze zrozumienie kosmicznych zagadnień.

Andrew Pontzen, profesor kosmologii z University College London, w swojej książce "The Universe in a Box" podkreśla znaczenie symulacji w naukach kosmicznych. Symulacje te, traktowane jako hipotetyczne eksperymenty, pozwalają na obliczanie konsekwencji założonych sytuacji na podstawie praw fizyki.

Historia symulacji komputerowej sięga starożytności, aż do Mechanizmu z Antykithiry, używanego przez starożytnych Greków do obliczania zdarzeń astronomicznych. W XIX wieku Ada Lovelace, pionierka informatyki, dostrzegła potencjał silnika analitycznego Charlesem Babbage'a, prekursora współczesnego komputera. Ten instrument miał za zadanie wykonywać nieskończone obliczenia, co otwierało nowe możliwości w modelowaniu.

Symulacje komputerowe zyskały na znaczeniu w XX wieku, zwłaszcza w kosmologii. Beatrice Tinsley, astronom i kosmolog, wykorzystała je do demonstracji zmienności galaktyk w czasie. Te symulacje stały się fundamentem dla współczesnych badań nad ewolucją wszechświata.

Symulacje te służą również do badania zjawisk, których nie można bezpośrednio obserwować, takich jak ciemna materia i ciemna energia. Dzięki nim kosmolodzy mogą lepiej zrozumieć dynamikę wszechświata, jego ewolucję i struktury w nim powstające.

Jednak modelowanie wszechświata stawia przed naukowcami ogromne wyzwania. Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, który wyjaśnia trzy z czterech podstawowych sił natury, nie obejmuje grawitacji. To sprawia, że modelowanie wszechświata jest szczególnie skomplikowane.

Pomimo tych trudności, naukowcy są zdeterminowani, by kontynuować badania i rozwijać coraz dokładniejsze symulacje. Chociaż pełne symulowanie wszechświata może wydawać się niemożliwe z powodu ogromnej złożoności.

Nie wiemy, jak modelować grawitację, ale wiemy, że ogólna teoria względności Einsteina i prawo grawitacji Newtona to dobre przybliżenia, które sprawdzają się bardzo dobrze przy niskich energiach, ale stojąca za nimi matematyka załamuje się, gdy próbuje się zadawać pytania dotyczące stanów o ultrawysokiej energii, takich jak stany Wielki Wybuch. Pozostałe trzy siły oczywiście również nie są łatwe do modelowania.

Na przykład siła duża kontroluje interakcję podstawowych cząstek tworzących protony i neutrony. Te interakcje, opisywane za pomocą chromodynamiki kwantowej, w skrócie QCD, są ze sobą tak ściśle powiązane, że nie ma wyraźnego rozróżnienia między tym, które aspekty mogą być ważniejsze od innych, aby umożliwić wykonanie nawet przybliżonych obliczeń. Wiele metod obliczeniowych nie działa, ponieważ nie możemy dokonać przybliżeń.

Aby obejść ten problem, naukowcy wykorzystują obliczenia kwantowe do przeprowadzania symulacji numerycznych przy użyciu próbkowania statystycznego, co pozwala uzyskać prawdopodobieństwa różnych wyników, ale tylko w skali czasu odmiennej od rzeczywistej. Oznacza to, że nie symuluje się QCD takiego, jaki istnieje w naszym wszechświecie. Modeluje się model, który jest podobny i może być bezpośrednio powiązany, ale nie jest taki sam.

W przypadku najbardziej złożonych symulacji naukowcy opracowali obliczenia, które kompensują to, czego nie rozumieją, i domyślają się na podstawie tego, co rozumieją. Modelowanie wszechświata może nam pokazać, co jest prawdopodobne, biorąc pod uwagę to, co już wiemy. Symulacja zawiera po prostu całą masę zastrzeżeń, które sprawiają, że symulacja działa.

Nawet gdyby naukowcom udało się w czasie rzeczywistym wymyślić, jak opisać wszystkie cztery podstawowe siły i nawet gdyby zrozumieli wszystkie prawa fizyki, moc komputera potrzebna do symulacji Wszechświata nadal pozostawałaby poza ich zasięgiem.

Jeśli celem jest uwzględnienie w symulacji wszystkiego we Wszechświecie, oznacza to, że na każdy atom we Wszechświecie powinien przypadać jeden atom w symulacji. Nie ma na Ziemi ani jednego komputera, który mógłby to zrobić. Wszechświat jest po prostu zbyt skomplikowany. Jest w nim po prostu za dużo rzeczy.

Granice wielkości wszechświata, który możemy symulować, stale się poszerzają, zarówno wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej, jak i, co ważniejsze, w miarę jak ludzie wymyślają lepsze algorytmy, które pozwalają nam lepiej modelować bardziej złożone rzeczy wydajnie. Modelowanie pokazuje nam, co jest prawdopodobne, i możemy przewidzieć, jak działa świat przyrody, i w wielu przypadkach przewidywania te okazują się prawidłowe.