Как квантовые поля определяют судьбу Вселенной: российские физики нашли ответ

Созданием нового математического аппарата занималась команда ученых из МФТИ, Курчатовского института и ФИАН. Они напомнили, что Вселенная с самого своего рождения расширяется. Причем это происходит с ускорением, которое, как полагают специалисты, связано с влиянием темной энергии. Самой успешной математической моделью расширяющегося мира считают пространство-время де Ситтера: эта модель статична — мир заполнен только космологической постоянной, которая вынуждает пространство растягиваться.

По мнению коллектива ученых, квантовая механика вносит некоторые коррективы в эту стройную картину. По ее законам, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Из-за расширения они растягиваются до больших размеров и превращаются в реальные поля — последние в свою очередь взаимодействуют с пространством-временем.

Эти квантовые эффекты продолжают расти: со временем могут накопить столько силы, что даже возьмут верх над классической моделью эволюции Вселенной. Однако какими будут последствия — ученые пока не знают. По одному из сценариев, квантовые флуктуации могут плавно изменить свойства вакуума, по другому — привести к разрушению ткани пространства-времени.

Чтобы внести ясность в этот вопрос, российские физики построили строгую математическую модель. Основной целью было проследить судьбу квантовых полей в условиях расширяющейся вселенной де Ситтера. В качестве одного из инструментов они задействовали формализм Швингера-Келдыша: этот подход позволяет описывать неравновесные квантовомеханические системы — наша Вселенная именно такой и является.

В рамках этого подхода ученые вывели уравнение Дайсона-Швингера, чтобы описать эволюцию двухточечной корреляционной функции поля. Данная величина содержит в себе всю информацию о квантовых флуктуациях. Им удалось доказать, что сложные многопетлевые поправки едва ли влияют на общую картину. Такое открытие важно по той причине, что позволяет существенно упростить конечное уравнение — теперь оно стало линейным и более доступным для точного решения. Все прошлые попытки были менее успешными — уравнения было сложно интерпретировать.

«Мы знали, что квантовые поправки растут, но не было консенсуса, как их правильно суммировать и к чему это приведет, — отметил младший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ Дамир Садеков. — Наш подход позволил впервые получить строгое уравнение, которое описывает эту динамику для легких полей. Оказалось, что система эволюционирует к состоянию, которое кардинально отличается от исходного вакуума, и этот процесс можно описать точной математической формулой. Это важный шаг к пониманию того, как квантовая гравитация формирует мир в космологических масштабах».

По итогам исследования физики выявили определенную закономерность: чем старше становится Вселенная, тем сильнее проявляются квантовые эффекты. Они изменяют свойства вакуума, причем фундаментально. То есть на самом деле это не стабильная среда, а постоянно трансформирующаяся — под действием квантовых эффектов. Не исключено, что и значение темной энергии не является константой — возможно, это результат долгой эволюции вакуума.

Также авторы подчеркнули, что судьбу Вселенной может определять не только ее нынешнее состояние, но и начальные условия, заложенные еще в момент Большого взрыва.

Работа носит фундаментальный характер, но ученые полагают, что их выводы очень важны для космологии. В дальнейшем они хотят изучить более сложные сценарии — проанализировать другие участки пространства-времени де Ситтера и выяснить, как на итоговый результат влияют разные начальные условия.

Ранее ученые из Новой Зеландии предположили, что необходимость существования темной энергии преувеличена. По их мнению, Вселенная может в ней не нуждаться.

Визуализация NICOLLE R. FULLER / SCIENCE PHOTO LIBRARY