МОДЕЛЮВАННЯ СТРУКТУРИ ВСЕСВІТУ ЗА ДОПОМОГОЮ ТРИВИМІРНИХ КЛІТИННИХ АВТОМАТІВ

Анотація

У статті  розглянуто застосування тривимірних клітинних автоматів (3D КА) як інноваційного інструменту для моделювання формування та еволюції геометричної структури Всесвіту (ВКС). Проаналізовано фундаментальні принципи, що лежать в основі клітинних автоматів, та можуть забезпечувати вплив на геометрію моделювання. Особливу увагу приділено концептуальному зв'язку між клітинними автоматами та парадигмою "Цифрової Фізики", яка передбачає, що Всесвіт на фундаментальному рівні може бути описаний як обчислювальна система.

Розглянуто конкретні приклади моделей 3D КА, що застосовуються для моделювання космологічних процесів, зокрема 3D Геометричний КА Фредкіна/EMQG та КА Модель Адгезії. Детально описано їхні правила оновлення стану клітинок, типи комірок та можливі стани, а також способи, якими ці моделі намагаються імітувати фізичні процеси, такі як гравітація та формування космічних структур. Проведено оцінку успішності відтворення спостережуваних характеристик ВКС за допомогою 3D КА та здійснено порівняльний аналіз з результатами стандартних N-body симуляцій, що базуються на моделі ΛCDM.

Доцільність використання КА для моделювання структури Всесвіту грунтується на моделях їх побудови, які пропонують використовувати дискретизацію простору та часу, що суттєво для квантової гравітації. Також, їхній внутрішній паралелізм добре підходить для моделювання великих структур, а здатність генерувати складні об’єкти на основі простих правил дає можливість пояснити формування структури Всесвіту використовуючи відносно прості  початкові умови. Головна ідея моделювання структури за допомогою КА є поняття емерджентного простору-часу та фізичних законів, що виникають із базових обчислювальних правилах. Таким чином, дослідження структури Всесвіту з використанням КА може розглядатись як альтернативний підхід до зміна його форм.В роботі описано алгоритм який визначає правила зміни стану клітини та визначено ключові переваги та недоліки традиційного та наведеного підходів до моделювання. Розглянуто обчислювальні та теоретичні проблеми пов’язані з проблеми узгодження з спостереженнями та розробки ефективних алгоритмів.

Ключові слова: клітинні автомати, 3D КА, великомасштабна структура Всесвіту, космологічне моделювання, цифрова фізика, N-body симуляції, ΛCDM.