Stochastic dynamics of cosmological inflation in general relativity

आज के ब्रह्मांड को समझने के लिए, हमें इसके जन्म के एक सेकंड के अंश के पीछे देखना होगा, एक ऐसा क्षण जब अंतरिक्ष स्वयं प्रकाश की गति से भी तेज़ फैला था। यह अवधि, जिसे 'इन्फ्लेशन' (स्फीति) के रूप में जाना जाता है, इस बात की प्रमुख व्याख्या है कि ब्रह्मांड इतना विशाल, इतना एकसमान, और फिर भी आकाशगंगाओं और तारों के बीजों से क्यों भरा हुआ है। यह सिद्धांत बताता है कि ब्रह्मांड एक चिकने, खाली विस्तार के रूप में शुरू हुआ जो अचानक बाहर की ओर फूल गया। हालाँकि, यह चिकनापन पूर्ण नहीं था। स्पेस-टाइम (देश-काल) के ताने-बाने में क्वांटम यांत्रिकी के अजीब नियमों से उत्पन्न सूक्ष्म, यादृच्छिक हलचलें, इस तीव्र विस्तार द्वारा उन बड़े पैमाने की संरचनाओं में बदल गईं जिन्हें हम अब देखते हैं। दशकों तक, वैज्ञानिक उन गणितीय उपकरणों पर निर्भर रहे हैं जो तब तो अच्छा काम करते हैं जब ये हलचलें छोटी और अनुमानित होती हैं। लेकिन जैसे-जैसे हम प्रारंभिक ब्रह्मांड के सबसे चरम क्षणों को समझने की कोशिश करते हैं, या इस संभावना की जांच करते हैं कि इन्फ्लेशन कुछ क्षेत्रों में वास्तव में कभी समाप्त ही नहीं हुआ, ये मानक उपकरण विफल होने लगते हैं। वे स्पेस-टाइम के जंगली, अराजक और गहराई से परस्पर जुड़े व्यवहार को संभालने में सक्षम नहीं हैं जब गुरुत्वाकर्षण और क्वांटम यांत्रिकी के नियम गैर-रेखीय (non-linear) तरीके से टकराते हैं।

कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में पूर्ण किया गया योआन लेविस लौने (Yoann Levis Launay) का एक नया अध्ययन, प्रारंभिक ब्रह्मांड के सुचारू, औसत दृश्य और आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के जटिल वास्तविकता के बीच एक सेतु बनाकर इस सीमा को संबोधित करता है। शोधकर्ता का लक्ष्य ब्रह्मांड के जन्म का अनुकरण (सिमुलेशन) करने का एक तरीका बनाना था जो उन सरलीकृत धारणाओं पर निर्भर न हो जिन्होंने वर्षों से प्रगति को रोक रखा है। विशेष रूप से, यह कार्य एक लंबे समय से चले आ रहे अंतराल को संबोधित करता है: जबकि हमारे पास शक्तिशाली कंप्यूटर प्रोग्राम हैं जो ब्लैक होल की हिंसक टक्करों और स्पेस-टाइम के विरूपण का मॉडल बना सकते हैं, हमारे पास इन समान प्रोग्रामों का उपयोग ब्रह्मांड की शुरुआत का अनुकरण करने के लिए करने की विधि का अभाव था, जहाँ क्वांटम प्रभाव विस्तार को संचालित करते हैं। यह अध्ययन एक नया ढांचा पेश करता है जो प्रारंभिक ब्रह्मांड को एक साधारण, चिकनी चादर के रूप में नहीं, बल्कि एक गतिशील, उतार-चढ़ाव वाले परिदृश्य के रूप में मानता है जहाँ अंतरिक्ष का प्रत्येक भाग दूसरे भाग को प्रभावित करता है, और यह सब गुरुत्वाकर्षण के सख्त नियमों का सम्मान करते हुए होता है।

इस कार्य का मूल तत्व उन सूक्ष्म, यादृच्छिक क्वांटम उतार-चढ़ावों को अनुवादित करने की एक विधि है जो ब्रह्मांड के विस्तार से पहले अस्तित्व में थे, ताकि उन्हें सुपरकंप्यूटर सिमुलेशन के लिए प्रारंभिक स्थितियों के रूप में उपयोग किया जा सके। पिछले प्रयासों में, वैज्ञानिकों को अक्सर यह मानना पड़ता था कि ब्रह्मांड के विभिन्न क्षेत्र एक-दूसरे से अलग थे, जो एक ऐसी सरलीकरण है जो इस तथ्य की अनदेखी करती है कि गुरुत्वाकर्षण सब कुछ कैसे जोड़ता है। लौने का दृष्टिकोण इस अलगाव को हटा देता है। "तेज़" क्वांटम शोर (noise) और ब्रह्मांड के "धीमे" विकास को अलग करने वाली एक तकनीक का उपयोग करके, अध्ययन उन समीकरणों का एक सेट व्युत्पन्न करता है जो यह बताते हैं कि ये यादृच्छिक हलचलें अंतरिक्ष के विस्तार के लिए एक प्रेरक शक्ति के रूप में कैसे कार्य करती हैं। इन समीकरणों को फिर 'न्यूमेरिकल रिलेटिविटी' नामक एक परिष्कृत संख्यात्मक प्रणाली में फीड किया जाता है, जो स्पेस-टाइम के एक ग्रिड पर आइंस्टीन के जटिल समीकरणों को चरण-दर-चरण हल करती है। यह सिमुलेशन को शुद्ध क्वांटम अनिश्चितता की स्थिति से एक शास्त्रीय (classical), विस्तारवादी ब्रह्मांड में विकसित होने की अनुमति देता है, और यह ट्रैक करता है कि इन्फ्लेटिंग फील्ड (विस्तारित क्षेत्र) के जवाब में अंतरिक्ष की ज्यामिति कैसे बदलती है।

इन सिमुलेशन के परिणाम महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे पुष्टि करते हैं कि नई विधि दो बहुत अलग परिदृश्यों में सही ढंग से काम करती है। पहला, एक मानक, धीमी विस्तार अवस्था में, सिमुलेशन सरल, अच्छी तरह से समझे गए सिद्धांतों की भविष्यवाणियों से मेल खाता है, जो इस नए उपकरण की विश्वसनीयता को सिद्ध करता है। दूसरा, और अधिक महत्वपूर्ण रूप से, यह विधि एक अराजक, अत्यंत तीव्र विस्तार चरण को सफलतापूर्वक संभालती है जहाँ भौतिकी के सामान्य नियम टूट जाते हैं। इस चरम वातावरण में, सिमुलेशन दिखाता है कि ब्रह्मांड जटिल, गैर-समान संरचनाएं विकसित कर सकता है और यादृच्छिक क्वांटम झटके विस्तार पर हावी हो सकते हैं, जिससे 'इटरनल इन्फ्लेशन' (शाश्वत स्फीति) नामक स्थिति उत्पन्न होती है। यह एक ऐसा परिदृश्य है जहाँ ब्रह्मांड के कुछ हिस्से हमेशा के लिए फूलते रहते हैं जबकि अन्य रुक जाते हैं, जिससे एक विशाल, पैचवर्क वाला मल्टीवर्स (बहु-ब्रह्मांड) बनता है। अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि यह व्यवहार केवल एक गणितीय जिज्ञासा नहीं है, बल्कि एक भौतिक वास्तविकता है जिसे सामान्य सापेक्षता की मौलिक बाधाओं का उल्लंघन किए बिना मॉडल किया जा सकता है।

महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध यह भी स्पष्ट करता है कि ब्रह्मांड को एक क्वांटम वस्तु के बजाय एक शास्त्रीय वस्तु के रूप में मानना कब सुरक्षित है। क्वांटम शोर और शास्त्रीय विस्तार के बीच की अंतःक्रिया का विश्लेषण करके, अध्ययन उन विशिष्ट पैमानों और समयों की पहचान करता है जहाँ क्वांटम प्रभाव नगण्य हो जाते हैं और ब्रह्मांड एक अनुमानित, शास्त्रीय प्रणाली की तरह व्यवहार करता है। यह खोज कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (ब्रह्मांडीय सूक्ष्मतरंग पृष्ठभूमि), जो बिग बैंग की चमक है और इन प्रारंभिक उतार-चढ़ावों के निशान वहन करती है, के डेटा की व्याख्या करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। कार्य यह सुझाव देता है कि आकाश में हम जो पैटर्न देखते हैं वे वास्तव में क्वांटम बीजों से शास्त्रीय विकास का परिणाम हैं, लेकिन केवल तभी जब ब्रह्मांड पर्याप्त रूप से फैल चुका हो ताकि क्वांटम "धुंधलापन" शांत हो सके।

यह अध्ययन इन विधियों को मानक गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत से आगे बढ़ाते हुए अधिक विचित्र संभावनाओं को भी शामिल करता है, जैसे कि वे सिद्धांत जहाँ गुरुत्वाकर्षण की शक्ति समय के साथ बदलती है या जहाँ अतिरिक्त क्षेत्र (fields) स्पेस-टाइम के साथ जटिल रूप से परस्पर क्रिया करते हैं। यह दिखाते हुए कि समान सिमुलेशन ढांचा इन विविधताओं को संभाल सकता है, यह शोध ब्रह्मांड की उत्पत्ति के बारे में व्यापक सिद्धांतों के परीक्षण का द्वार खोलता है। यह प्रारंभिक ब्रह्मांड के लिए एक "संख्यात्मक कण कोलाइडर" (numerical particle collider) प्रदान करता है, जिससे वैज्ञानिकों को अंतरिक्ष-समय के जन्म पर ऐसे प्रयोग करने की अनुमति मिलती है जो प्रयोगशाला में करना असंभव है। हालांकि यह कार्य प्रत्यक्ष अवलोकन के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है, यह भविष्य के अनुसंधान के लिए एक मजबूत और लचीला आधार स्थापित करता है। यह सुझाव देता है कि प्रारंभिक ब्रह्मांड की अराजक, गैर-रेखीय गतिशीलता हमारी पहुंच से बाहर नहीं है, और सही उपकरणों के साथ, हम अंततः उस पूर्ण, बिना किसी फिल्टर वाली कहानी का अनुकरण कर सकते हैं कि हमारे कॉसमॉस की शुरुआत कैसे हुई।