Теоретические физики МФТИ, НИЦ «Курчатовский институт» и ФИАН разработали инновационный математический аппарат для описания квантовых полей на космологических масштабах. Их исследование проливает свет на то, как неявные квантовые флуктуации влияют на динамику Вселенной и прогнозирует, каким образом эти эффекты могут определить её окончательную судьбу. Предложенный подход снимает давние противоречия в существующих теориях и открывает новые перспективы для понимания природы тёмной энергии и стабильности вакуума. Полная статья опубликована в журнале Physical Review D.
С момента Большого взрыва Вселенная не просто расширяется — она делает это с ускорением, движимая таинственной силой, которую называют тёмной энергией. Идеальным математическим описанием такой Вселенной служит пространство де Ситтера, в котором единственным источником растяжения является космологическая постоянная. Однако при учёте законов квантовой механики картина усложняется: вакуум оказывается бурлящим «океаном» виртуальных частиц, которые под действием космического расширения растягиваются до макроскопических масштабов и становятся реальными полями, взаимодействующими с самим пространством-временем.
Квантовые поправки к динамике полей, особенно для легких частиц, со временем аккумулируются и нарастают. Эти «вековые» эффекты, подобно слабому, но непрерывному эху, могут в долгосрочной перспективе превзойти классические предсказания. До последнего времени оставался открытым вопрос, приведёт ли это накопление к плавному изменению свойств вакуума, объясняя природу тёмной энергии, или же к критической неустойчивости, способной разрушить ткань пространства-времени. Для ответа необходимо было разработать теорию, учитывающую бесконечный ряд таких растущих поправок.
Российские учёные сформулировали строгую модель, способную проследить эволюцию квантовых полей на сколь угодно больших временных отрезках в расширяющемся де Ситтеровском пространстве. Для этого они привлекли формализм Швингера–Келдыша — мощный инструмент квантовой теории полей вдали от термодинамического равновесия — и вывели уравнение Дайсона–Швингера для двухточечной корреляционной функции, в которой заключена вся информация о поведении квантовых флуктуаций.
Ключевым техническим прорывом стало доказательство того, что многопетельные «пузырь в пузыре» диаграммы Фейнмана вносят пренебрежимо малый вклад в общую динамику. Это позволило упростить конечную формулу до линейного уравнения, решаемого аналитически. Ранние попытки приводили к громоздким нелинейным моделям без ясного физического смысла. Решение новой работы показывает, что с течением времени двухточечные корреляции растут по степенному закону: чем старше становится Вселенная, тем значительнее квантовые эффекты, радикально меняющие свойства вакуума по сравнению с его начальным состоянием.
Уникальность данного метода заключается в строгом выводе уравнения из фундаментальных принципов, без произвольных допущений. Авторы подробно проанализировали вклады разных типов взаимодействий и показали, что в стандартном участке Пуанкаре де Ситтеровского пространства главную роль играют простейшие цепочечные диаграммы, в то время как более сложные взаимодействия оказываются подавленными. Такой подход не только разрешает технические сложности, но и углубляет понимание процессов, определяющих эволюцию Вселенной в отдалённом будущем.
Несмотря на фундаментальный характер работы, её результаты имеют большое значение для космологии. Они демонстрируют, что вакуум, считающийся стабильным, на самом деле постепенно преобразуется под действием квантовых эффектов. Это открывает новый взгляд на проблему космологической постоянной: возможно, наблюдаемая сегодня тёмная энергия — не фундаментальная константа, а результат длительной эволюции квантового вакуума. Кроме того, показано, что судьба Вселенной зависит не только от её нынешнего состояния, но и от тонких начальных условий, заложенных в момент рождения пространства-времени.
Дамир Садеков, младший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ:
«Проблема вековых эффектов в де Ситтеровском пространстве оставалась одной из главных загадок теоретической физики. Мы знали о росте квантовых поправок, но не понимали, как их корректно суммировать и к чему это приведёт. Наш подход позволил впервые получить строгое аналитическое уравнение для лёгких полей. Оказалось, что система эволюционирует к состоянию, кардинально отличному от изначального вакуума, и описать этот процесс можно точной математической формулой. Ключевым моментом стало доказательство подавления сложных «пузырь в пузыре» диаграмм, что позволило свести задачу к решаемому линейному уравнению. Это дало нам возможность заглянуть в будущее Вселенной и понять, как квантовое эхо формирует её дальнейшую эволюцию».
Источник: интервью с автором работы
В будущих работах коллектив планирует применить разработанный формализм к другим участкам де Ситтеровского пространства и изучить влияние различных начальных условий на динамику квантовых полей. Если Вселенная зародилась в неидеально симметричном состоянии, её эволюция может пойти по «нетривиальным» траекториям. Полученная модель закладывает прочную основу для следующих исследований, которые, возможно, дадут окончательный ответ на вопрос о том, что ждёт нашу Вселенную в глубоком будущем.
Ссылка на статью: E. T. Akhmedov, V. I. Lapushkin, 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
