Teoreettiset fyysikot MFT:stä, Kurchatovin instituutista ja P.N. Lebedevin fysiikan instituutista RAN:sta ovat kehittäneet uuden matemaattisen mallin kvanttikenttien käyttäytymisen kuvaamiseksi kosmologisessa mittakaavassa. Heidän työnsä ei ainoastaan selvennä, kuinka hienovaraiset kvanttiefektit vaikuttavat maailmankaikkeuden evoluutioon, vaan myös ennustaa, kuinka nämä efektit määrittävät itse avaruus-ajan lopullisen kohtalon. Tämä lähestymistapa mahdollistaa vanhojen ristiriitojen ratkaisemisen teoriassa ja avaa tien sellaisten perustavanlaatuisten mysteerien ymmärtämiseen kuin pimeän energian luonne ja tyhjiön stabiilius.
Tutkimuksen tulokset on julkaistu Physical Review D -lehdessä. Suuresta alkuräjähdyksestä lähtien universumimme ei ole vain laajentunut, vaan se on tehnyt niin kiihtyvällä vauhdilla, jota ohjaa salaperäinen voima, jota tutkijat kutsuvat pimeäksi energiaksi. Menestynein matemaattinen malli tällaisesta maailmasta on de Sitterin avaruus-aika – idealisoitu maailmankaikkeus, joka on täynnä vain kosmologista vakioa, joka saa avaruuden venymään. Tämä elegantti kuva kuitenkin monimutkaistuu, kun kvanttimekaniikka astuu kuvaan. Sen lakien mukaan tyhjiö ei ole absoluuttista tyhjyyttä, vaan kuohuva virtuaalisten hiukkasten meri, jossa hiukkaset syntyvät ja katoavat jatkuvasti. Nämä kvanttivaihtelut käyttäytyvät laajenevan maailmankaikkeuden mittakaavassa erittäin epätavallisesti: kosmisen laajenemisen seurauksena ne venyvät jättimäisiin, makroskooppisiin kokoihin ja muuttuvat todellisiksi kentiksi, jotka alkavat olla vuorovaikutuksessa itse avaruus-ajan kanssa.
Kvanttikorjaukset kenttien käyttäytymiseen, erityisesti niihin, joilla on pieni massa, kertyvät ja kasvavat ajan myötä. Nämä niin sanotut vuosisataiset vaikutukset, jotka ovat kuin heikko mutta jatkuva kaiku alkuperäisistä vaihteluista, voivat ajan myötä tulla niin voimakkaiksi, että ne alkavat hallita klassista kuvaa maailmankaikkeuden evoluutiosta. Tähän mennessä ei ole ollut yksimielisyyttä siitä, mihin tämä kvanttiefektien loputon kertyminen johtaa. Johtaako se tyhjiön ominaisuuksien sujuvaan muutokseen, joka mahdollisesti selittää pimeän energian luonteen, vai päinvastoin, aiheuttaako se katastrofaalisen epävakauden, joka tuhoaa itse avaruus-ajan kudoksen? Vastaus tähän kysymykseen edellyttää teorian luomista, joka kykenee ottamaan tarkasti huomioon kaikkien näiden kasvavien korjausten loputtoman sarjan.
Juuri tämän tehtävän asetti itselleen ryhmä venäläisiä fyysikoita. Heidän tavoitteenaan oli rakentaa tarkka matemaattinen malli, jonka avulla voitaisiin seurata kvanttikenttien kohtaloa äärettömän kaukaisina aikoina de Sitterin laajenevassa universumissa. Tätä varten tutkijat turvautuivat yhteen nykyaikaisen teoreettisen fysiikan tehokkaimmista välineistä – Schwinger-Keldyshin formalismiin, joka on tarkoitettu kuvaamaan termodynaamisesta tasapainosta kaukana olevia järjestelmiä, kuten ikuisesti laajeneva universumimme. Tämän formalismiin perustuen he johtivat niin sanotun Dyson-Schwingerin yhtälön, joka kuvaa kahden pisteen korrelaatiotoiminnon evoluutiota – suureen, joka sisältää kaiken informaation kvanttivaihteluiden käyttäytymisestä.
Tekninen saavutus, joka oli keskeinen tekijöille, oli todistaa, että monimutkaiset monisilmukaiset korjaukset, joita kuvataan Feynmanin kaavioina tyyppiä ”kupla kuplassa”, ovat itse asiassa merkityksettömän pieniä koko kuvassa. Tämä löytö mahdollisti lopullisen yhtälön huomattavan yksinkertaistamisen, jolloin siitä tuli lineaarinen ja tarkalle analyyttiselle ratkaisulle sopiva. Aikaisemmat yritykset ratkaista tämä ongelma johtivat usein hankaliin epälineaarisiin yhtälöihin, joilla ei ollut selkeää tulkintaa. Uudessa tutkimuksessa saatu ratkaisu osoitti, että kvanttivaihtelut todella johtavat korrelaatioiden eksponentiaaliseen kasvuun ajan myötä. Tämä tarkoittaa, että mitä vanhempi universumi on, sitä voimakkaammin kvanttivaikutukset ilmenevät, muuttamalla perustavanlaatuisesti tyhjiön ominaisuuksia verrattuna sen alkuperäiseen tilaan.
Esitetyn lähestymistavan ainutlaatuisuus piilee sen tiukkuudessa ja johdonmukaisuudessa. Sen sijaan, että olisivat tehneet oletuksia järjestelmän käyttäytymisestä, kirjoittajat johtivat yhtälön kvanttikenttäteorian perusperiaatteista analysoimalla huolellisesti eri tyyppisten vuorovaikutusten vaikutukset. He osoittivat, että niin sanotussa Poincaré-laajenemisalueessa – standardimallissa havaittavasta osasta maailmankaikkeutta – johtava rooli on yksinkertaisimmilla ketjukaavioilla, kun taas monimutkaisemmat vuorovaikutukset ovat alistettuja. Tämä ei ainoastaan ratkaise teknistä ongelmaa, vaan antaa myös syvällisen fyysisen ymmärryksen siitä, mitkä prosessit hallitsevat kaukaisen tulevaisuuden kehitystä.
Vaikka työ on luonteeltaan perustavanlaatuista, sen johtopäätökset ovat erittäin tärkeitä kosmologialle. Ne osoittavat, että tyhjiö, jota pidämme vakaana, on itse asiassa ympäristö, jonka ominaisuudet muuttuvat hitaasti mutta vääjäämättä kvanttiefektien vaikutuksesta. Tämä avaa uuden näkökulman kosmologisen vakion ongelman ratkaisemiseen: ehkä nykyisin havaittu pimeän energian arvo ei ole perustavanlaatuinen vakio, vaan tyhjiön pitkän evoluution tulos. Lisäksi tutkimus korostaa, että maailmankaikkeuden kohtalo voi riippua paitsi sen nykyisestä tilasta myös sen alkuperäisten olosuhteiden hienoista yksityiskohdista, jotka syntyivät alkuräjähdyksen hetkellä.
Damir Sadekov, nuorempi tutkija MFT:n korkean energian fysiikan laboratoriossa, kertoi tutkimuksen sisällöstä: ”Vuosikymmenten ajan de Sitterin avaruuden ikuiset vaikutukset ovat olleet yksi keskeisistä haasteista. Tiesimme, että kvanttikorjaukset kasvavat, mutta ei ollut yksimielisyyttä siitä, miten ne tulisi laskea yhteen ja mihin se johtaisi. Lähestymistapamme ansiosta saimme ensimmäistä kertaa tarkan yhtälön, joka kuvaa tätä dynamiikkaa kevyille kentille. Kävi ilmi, että järjestelmä kehittyy tilaan, joka eroaa radikaalisti alkuperäisestä tyhjyydestä, ja tämä prosessi voidaan kuvata tarkalla matemaattisella kaavalla.
Tämä on tärkeä askel kohti ymmärrystä siitä, miten kvanttigravitaatio muokkaa maailmaa kosmologisessa mittakaavassa. Keskeinen osa työtämme oli ymmärtää, mitkä kvanttiprosessit ovat tärkeitä ja mitkä eivät. Todistamalla, että monimutkaiset ”kupla kuplassa” -tyyppiset kaaviot ovat tukahdutettuja, pystyimme pelkistämään ongelman ratkaistavaksi lineaariseksi yhtälöksi. Se on kuin monimutkaisessa järjestelmässä, jossa on lukuisia vuorovaikutuksia, yhtäkkiä ymmärtäisit, että sen pitkän aikavälin käyttäytyminen määräytyy vain muutaman yksinkertaisen säännön perusteella. Juuri tämä antoi meille mahdollisuuden kurkistaa universumin tulevaisuuteen ja nähdä, kuinka kvantti-kaiku muokkaa sitä.
Tutkimusryhmän tulevaisuuden suunnitelmiin kuuluu monimutkaisempien skenaarioiden tutkiminen. Tutkijat aikovat soveltaa menetelmäänsä muiden de Sitterin avaruus-ajan alueiden analysointiin sekä tutkia, miten erilaiset alkuolosuhteet vaikuttavat lopputulokseen. Jos universumi ei syntynyt täysin symmetrisessä tilassa, sen kehitys voi kulkea täysin eri polkua. Tämä työ luo vankan perustan tuleville tutkimuksille, jotka saattavat jonain päivänä antaa lopullisen vastauksen kysymykseen siitä, mitä universumillemme on varastossa hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa.
