Новая модель, основанная на концепции сверхтекучести, проливает свет на самые ранние моменты существования Вселенной

Учёные из Свонсиского (Великобритания) и Болонского (Италия) университетов представили новую модель, которая связывает поведение ранней Вселенной со свойствами сверхтекучей жидкости — экзотического состояния материи, текущего без трения. Это неожиданное сравнение возникло из-за общих закономерностей: и в сверхтекучих средах, и в инфляционных процессах ключевую роль играют квантовые эффекты, которые на макроуровне проявляются как «текучесть» пространства-времени.

Работа команды Джанмассимо Тасинато модернизирует классический подход к расчёту волновой функции — математического описания квантовых состояний поля, ответственного за ускоренное расширение Вселенной. Учёные добавили к нему метод грубозернистого усреднения, который игнорирует микроскопические флуктуации, фокусируясь на крупномасштабных паттернах. Как океанограф изучает не каждую волну, а общие течения, так и эта модель описывает «скорость» гипотетической космической жидкости через изменение фазы волновой функции — параметра, ранее считавшегося технической деталью.

Иллюстрация: Leonardo

Главное отличие от общепринятой теории Старобинского, разработанной в 1980-х, — явный учёт квантового давления. В стандартном сценарии инфляционные флуктуации описываются как случайные колебания, подобные броуновскому движению. Новая модель показывает, что в условиях ультрамедленного расширения (когда Вселенная «растёт» почти незаметно) давление, характерное для сверхтекучих систем, становится критически важным. Например, при обычной «медленной» инфляции быстрое расширение гасит квантовые эффекты, и система подчиняется классическим законам. Но если расширение замедляется, то квантовое давление продолжает влиять на эволюцию флуктуаций, как масло, удерживающее структуру в жидкой среде.

Используя метод распределения Вигнера — инструмент для визуализации квантовых состояний — исследователи доказали, что фаза волновой функции напрямую влияет на соотношение неопределённостей Гейзенберга. Это помогло количественно оценить, как квантовые эффекты формируют структуры, размеры которых в молодой Вселенной превышали диаметр её наблюдаемой области.

Практическая ценность модели — в возможности лабораторной проверки. Учёные включили в уравнения элементы, похожие на те, что описывают потери энергии в вязких жидкостях. Это позволяет воспроизводить инфляционные процессы в экспериментах с квантовыми жидкостями, такими как сверхтекучий гелий. Такие опыты могут прояснить механизмы образования первичных чёрных дыр или природу аномалий в реликтовом излучении.

Перспективы исследования связаны с расширением модели на системы с несколькими полями — подобные сценарии рассматриваются в теориях тёмной материи и мультивселенной. Уточнение роли фазы волновой функции в этих моделях может стать ключом к расшифровке гравитационных волн от событий, произошедших в первые мгновения после Большого взрыва. Работа получила признание как шаг к объединению квантовой физики и космологии, предлагая новые инструменты для изучения перехода от микроскопических квантовых флуктуаций к макроскопической структуре Вселенной.