Физики-теоретики из МФТИ, НИЦ «Курчатовский институт» и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разработали новый математический аппарат для описания поведения квантовых полей в космологических масштабах. Их работа не только проясняет, как тонкие квантовые эффекты влияют на эволюцию Вселенной, но и предсказывает, как эти эффекты определят конечную судьбу самого пространства-времени. Этот подход позволяет разрешить давние противоречия в теории и открывает путь к пониманию таких фундаментальных загадок, как природа тёмной энергии и стабильность вакуума. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review D.
С момента Большого взрыва наша Вселенная не просто расширяется, а делает это с ускорением, ведомая таинственной силой, которую ученые называют тёмной энергией. Наиболее успешной математической моделью такого мира является пространство-время де Ситтера — идеализированная Вселенная, заполненная лишь космологической постоянной, которая и заставляет пространство растягиваться. Однако эта элегантная картина усложняется, как только на сцену выходит квантовая механика. Согласно ее законам, вакуум — это не абсолютная пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц, постоянно рождающихся и исчезающих. Эти квантовые флуктуации в масштабах расширяющейся Вселенной ведут себя крайне необычно: космическое расширение растягивает их до гигантских, макроскопических размеров, превращая в реальные поля, которые начинают взаимодействовать с самим пространством-временем.
Квантовые поправки к поведению полей, особенно тех, что обладают малой массой, со временем накапливаются и растут. Эти так называемые вековые эффекты, подобно слабому, но постоянному эху от первоначальных флуктуаций, могут со временем стать настолько сильными, что начнут доминировать над классической картиной эволюции Вселенной. До сих пор не было единого мнения о том, к чему приведет это бесконечное накопление квантовых эффектов. Приведут ли они к плавному изменению свойств вакуума, возможно, объясняя природу темной энергии, или же, наоборот, вызовут катастрофическую нестабильность, которая разрушит саму ткань пространства-времени? Ответ на этот вопрос требует создания теории, способной точно учесть бесконечную последовательность всех этих нарастающих поправок.
Именно такую задачу поставил перед собой коллектив российских физиков. Их целью было построить строгую математическую модель, которая позволила бы проследить судьбу квантовых полей на бесконечно далёких временах в расширяющейся вселенной де Ситтера. Для этого ученые обратились к одному из самых мощных инструментов современной теоретической физики — формализму Швингера-Келдыша, предназначенному для описания систем, далеких от термодинамического равновесия, какой и является наша вечно расширяющаяся Вселенная. На основе этого формализма они вывели так называемое уравнение Дайсона-Швингера, которое описывает эволюцию двухточечной корреляционной функции поля — величины, хранящей в себе всю информацию о поведении квантовых флуктуаций.
Центральным техническим достижением авторов стало доказательство того, что сложные многопетлевые поправки, описываемая как диаграммы Фейнмана типа «пузырь в пузыре», на самом деле вносят пренебрежимо малый вклад в общую картину. Это открытие позволило значительно упростить конечное уравнение, сделав его линейным и доступным для точного аналитического решения. Предыдущие попытки решения этой проблемы часто приводили к громоздким нелинейным уравнениям, которые не имели ясной интерпретации. Решение, полученное в новой работе, показало, что квантовые флуктуации действительно приводят к степенному росту корреляций со временем. Это означает, что чем старше становится Вселенная, тем сильнее проявляются квантовые эффекты, фундаментально изменяя свойства вакуума по сравнению с его первоначальным состоянием.
Уникальность представленного подхода заключается в его строгости и последовательности. Вместо того чтобы делать предположения о поведении системы, авторы вывели уравнение из первых принципов квантовой теории поля, тщательно проанализировав вклады от различных типов взаимодействий. Они показали, что для так называемого расширяющегося участка Пуанкаре — стандартной модели наблюдаемой части Вселенной — ведущую роль играют наиболее простые, цепочечные диаграммы, в то время как более сложные взаимодействия оказываются подавленными. Это не только решает техническую проблему, но и дает глубокое физическое понимание того, какие именно процессы доминируют в эволюции далёкого будущего.
Хотя работа носит фундаментальный характер, ее выводы имеют огромное значение для космологии. Они показывают, что вакуум, который мы считаем стабильным, на самом деле является средой, свойства которой медленно, но неумолимо меняются под действием квантовых эффектов. Это открывает новую перспективу для решения проблемы космологической постоянной: возможно, наблюдаемое сегодня значение темной энергии — это не фундаментальная константа, а результат долгой эволюции вакуума. Кроме того, исследование подчёркивает, что судьба Вселенной может зависеть не только от её текущего состояния, но и от тонких деталей её начальных условий, заложенных в момент Большого взрыва.
Дамир Садеков, младший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ, рассказал о сути проведенной работы: «На протяжении десятилетий проблема вековых эффектов в пространстве де Ситтера оставалась одним из центральных вызовов. Мы знали, что квантовые поправки растут, но не было консенсуса, как их правильно суммировать и к чему это приведет. Наш подход позволил впервые получить строгое уравнение, которое описывает эту динамику для лёгких 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. Ключевым моментом нашей работы стало понимание того, какие именно квантовые процессы важны, а какие — нет. Доказав, что сложные диаграммы типа «пузырь в пузыре» подавлены, мы смогли свести проблему к решаемому линейному уравнению. Это похоже на то, как в сложной системе с множеством взаимодействий вы вдруг понимаете, что её долгосрочное поведение определяется всего несколькими простыми правилами. Именно это и позволило нам заглянуть в будущее Вселенной и увидеть, как её будет формировать это квантовое эхо».
Дальнейшие планы научного коллектива включают исследование более сложных сценариев. Ученые намерены применить свой метод для анализа других участков пространства-времени де Ситтера, а также для изучения того, как на конечный результат влияют различные начальные условия. Ведь если Вселенная родилась не в идеально симметричном состоянии, ее эволюция может пойти по совершенно иному пути. Эта работа закладывает прочный фундамент для будущих исследований, которые, возможно, однажды дадут окончательный ответ на вопрос о том, что ждет нашу Вселенную в очень далеком будущем.
Научная статья: E. T. Akhmedov, V. I. Lapushkin, and D. I. Sadekov. Light fields in various patches of de Sitter space-time. Physical Review D. Published 20 June, 2025. https://doi.org/10.1103/k65j-1jn4
Комментарии (12)
alche
04.12.2025 10:15Эти квантовые флуктуации в масштабах расширяющейся Вселенной ведут себя крайне необычно: космическое расширение растягивает их до гигантских, макроскопических размеров, превращая в реальные поля, которые начинают взаимодействовать с самим пространством-временем.
Какой смысл вкладывается в концовку этой фразы, начиная со слов "превращая в реальные"? Что эти поля дают вклад в тензор энергии-импульса? Или какой-то другой смысл?
master_program Автор
04.12.2025 10:15Что эти поля становятся реальными полями и частицами, то есть обычными, а не виртуальными.
alche
04.12.2025 10:15Это, как я понимаю, ответ на вопрос про "реальные поля". А что значит фраза " начинают взаимодействовать с самим пространством-временем "?
master_program Автор
04.12.2025 10:15Согласно уравнению Эйнштейна они взаимодействуют с пространством-временем, как и любые другие реальные частицы и поля.
Реальное - тут антоним виртуального. Реальные значит просто обычные.
А вот что такое виртуальные частицы - на самом деле единого мнения нет, как правильно это интерпретировать. Формально это просто члены разложения в ряды при расчете взаимодействия. Некоторые ученые считают их какой-то особой формой материи, а некоторые просто математической фикцией, аргументов много в обе стороны.
kapas19
04.12.2025 10:15Что именно имелось в виду под выражением «другие участки пространства-времени де Ситтера»?
master_program Автор
04.12.2025 10:15Текущее исследование было сосредоточено на «расширяющемся участке Пуанкаре», который в тексте назван «стандартной моделью наблюдаемой части Вселенной».
Но за его пределами (то есть за пределами наблюдаемой части Вселенной) может что-то еще происходить, и ученых это тоже интересует.
Отсылка к этой части текста релиза
Они показали, что для так называемого расширяющегося участка Пуанкаре — стандартной модели наблюдаемой части Вселенной — ведущую роль играют наиболее простые, цепочечные диаграммы, в то время как более сложные взаимодействия оказываются подавленными.
kauri_39
Непонятно, как это возможно, ведь квантовые флуктуации - виртуальные частицы - живут около 10^-24 сек. За это время космическое расширение не успеет превратить их в поля макроскопических размеров. Видимо, у теоретиков нет понимания, за счёт чего расширяется Вселенная, и почему в её растущем объёме сохраняется постоянной (или почти постоянной) плотность тёмной энергии.
master_program Автор
Правильно заметили.
Суть теории инфляции как раз в том, что ранняя Вселенная макроскопических размеров достигла быстрее, чем за 10^(-24) секунды. Скорость расширения на много порядков превышала скорость света в первые доли секунды существования вселенной.
На Хабре про это была хорошая статья https://habr.com/ru/articles/902790/ .
kauri_39
Тут вроде не про инфляцию, а про ускоренное расширение Вселенной - начало Большого взрыва. В моём понимании, инфляция - это процесс образования квантованного вакуума Вселенной, как фазовый переход предыдущего состояния среды. Да, инфляционный рост объёма Вселенной - сверхсветовой процесс. Но это как образование снежного кома, который растёт не за счёт своего расширения, а за счёт присоединения к нему нового, внешнего снега. Или как быстрый переход в лёд переохлаждённой воды, начиная от точки начала кристаллизации. Хотя я дилетант и могу заблуждаться...
master_program Автор
Теория инфляции предусматривает сверхускоренное расширение в начале. Вот оттуда, по той ссылке, что я дал.
kauri_39
Я предпочитаю другую космологическую модель, близкую к космологии Бернхарда Римана. В ней нет инфлатона, тёмной материи и тёмной энергии. Есть вечное и бесконечное 4-мерное пространство, в котором из вселенных одного масштаба пространства и времени постоянно рождаются вселенные следующего масштаба. Бесчисленные масштабы пространства и времени бесчисленных вселенных составляют 4-е масштабное измерение.
Вселенные одного масштаба свободно расширяются и внутренне эволюционируют. При их переходе во взаимно сжатое состояние происходит их естественный отбор: вселенные с неполной внутренней эволюцией материи становятся квантами вакуума вселенных следующего масштаба, а вселенные с полной эволюцией - разумные вселенные - становятся квантами их материи, их фотонами.
Вселенная расширяется за счёт поступления в неё новых квантов вакуума - вселенных предыдущего масштаба - из 4-го измерения. Гравитация материи - это следствие вывода материей квантов вакуума в 4-е измерение. Это подтверждается высокой скоростью вращения скоплений и галактик. Они сохраняются не только за счёт гравитации по Ньютону - сильно ускоренного потока вакуума в их материю, но и за счёт слабо ускоренного потока вакуума из войдов, где его плотность выше, в скопления и в галактики. Поэтому для объяснения текущей космологии не нужны тёмная энергия и тёмная материя.
Инфлатон не нужен потому, что вселенные образуются благодаря классической инфляции - лавиноподобному переходу свободно расширяющихся вселенных предыдущего масштаба во взаимно сжатое состояние в случайных удалённых друг от друга центрах их первого соприкосновения. Это центры образующихся вселенных следующего масштаба. Объём каждой из них растёт благодаря слиянию с ним очередных вселенных предыдущего масштаба - квантов её вакуума, часть которых станет квантами её материи. И поэтому расширяться в обычном смысле этот объём вакуума не может. Но в каждый его квант - в каждую сжатую вселенную предыдущего масштаба - продолжают поступать кванты её вакуума из 4-го измерения. Поэтому растёт плотность вакуума взаимно сжатых вселенных и плотность состоящего из них вакуума образующейся вселенной следующего масштаба. И её значение достигнет максимума, начнётся Большой взрыв - обычное расширение вселенной. Наш объём Хаббла расширяется вместе со всей нашей Вселенной в стороне от её центра, поэтому имеет место некоторая анизотропия в РИ. Почти одинаковая температура материи от сферы последнего рассеяния объясняется одинаковой плотностью вакуума, в котором пребывала первичная материя. Реакция "температуры" фотонов - их частоты/энергии - на разную плотность вакуума на разных гравитационных потенциалах - давно известна благодаря ОТО.