Новая модель, основанная на теории сверхтекучести, раскрывает тайны первых мгновений существования Вселенной

Исследователи из университетов Свонси (Великобритания) и Болоньи (Италия) представили инновационную модель, связывающую особенности ранней Вселенной с природой сверхтекучей жидкости — уникальной формы материи, которая течёт без сопротивления. Такое сопоставление возникло благодаря сходству: и в сверхтекучих средах, и в инфляционных процессах квантовые явления играют ключевую роль, проявляясь на макроуровне как «текучесть» пространства-времени.

Команда под руководством Джанмассимо Тасинато обновила классический подход к анализу волновой функции — описанию квантовых состояний поля, отвечающего за ускоренное расширение Вселенной. Учёные добавили метод грубозернистого усреднения, который исключает мелкие флуктуации, сосредотачиваясь на общем рисунке. Подобно океанографам, изучающим направления течений, а не конкретные волны, эта модель описывает «движение» гипотетической космической жидкости через изменение фазы волновой функции — параметры, ранее считавшейся второстепенной.

Главное отличие от теории Старобинского, разработанной в 1980-х — явное учётово внимание квантовому давлению. Согласно стандартной модели, инфляционные флуктуации рассматриваются как случайные явления, схожие с броуновским движением. Новая модель показывает, что при крайне медленном расширении (когда рост Вселенной едва заметен), давление, свойственное сверхтекучим системам, становится существенным. Например, в условиях замедленной инфляции быстрое расширение ослабляет квантовые эффекты, и система подчиняется классическим законам. Однако, если скорость расширения снижается, квантовое давление продолжает оказывать влияние, удерживая структуру, подобно маслу в жидкости.

С использованием метода распределения Вигнера — инструмента для визуализации квантовых состояний — учёные доказали, что фаза волновой функции непосредственно влияет на соотношение неопределённостей Гейзенберга. Это позволило количественно оценить, как квантовые эффекты формировали структуры, которые в молодой Вселенной превышали размер наблюдаемой части.

Применимость модели заключается в возможности её лабораторной проверки. Учёные включили в уравнения элементы, схожие с теми, что описывают потери энергии в вязких жидкостях, позволяя воспроизводить инфляционные процессы в экспериментах с квантовыми жидкостями, такими как сверхтекучий гелий. Эти эксперименты могут пролить свет на механизм образования первичных чёрных дыр или природу аномалий в реликтовом излучении.

Перспективы исследования связаны с расширением модели на системы с несколькими полями — такие сценарии рассматриваются в контексте тёмной материи и мультивселенной. Прояснение роли фазы волновой функции в этих моделях может стать ключом к пониманию гравитационных волн, возникших в первые мгновения после Большого взрыва. Работа была признана за вклад в объединение квантовой физики и космологии, предлагая новые методы исследования перехода от квантовых флуктуаций к макроскопической структуре Вселенной.

Источник: iXBT