КВАНТОВЫЙ ПОПКОРН: ПУЗЫРИ МЕНЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ РОЖДАЮТСЯ БУГРИСТЫМИ

Многие расширения Стандартной модели физики элементарных частиц — великое объединение, дополнительные измерения, суперсимметрия, решения «сильной CP-проблемы» — предсказывают, что ранняя Вселенная прошла через фазовые переходы первого рода. В квантовом варианте изменение начинается с редкого события: благодаря квантовому туннелированию в море «ложного вакуума» появляется микроскопический пузырь «истинного вакуума» — нового, более стабильного состояния. Родившись, он растёт со скоростью, равной или близкой к скорости света, преобразуя огромные области, пока не воцарится повсюду. Столкновения таких пузырей считаются возможным источником фона гравитационных волн.

Сфера из учебников

Скорость туннелирования рассчитывают со времён работ 1977 года, авторы которых — Коулман (Coleman), а также Каллан (Callan) и Коулман. Их метод опирается на решение, называемое баунсом (bounce), которое также даёт профиль пузыря при рождении. Наиболее вероятная конфигурация считается сферической — а это означает, например, что новорождённый пузырь не может излучать гравитационные волны. Поскольку самые драматичные события происходят позже, когда пузыри расширяются и сливаются, самому рождению уделялось мало внимания, и его картина оставалась расплывчатой.

Кфир Блюм (Kfir Blum) и Омри Рознер (Omri Rosner) из Института Вейцмана в Израиле, а также Ипак Фадакар (Ipak Fadakar) и Гильерме Пиментел (Guilherme Pimentel) из Высшей нормальной школы (Scuola Normale Superiore) и INFN в Пизе решили направить «микроскоп, так сказать, на зарождающийся пузырь».

На шаг дальше сферы

Сферический пузырь, как они показывают, — лишь главный член расчёта. В следующем порядке поле — это не одна форма, а гауссов ансамбль: облако возможных форм, случайно флуктуирующих вокруг сферы, каждая из которых имеет вычислимую вероятность. Любой реальный пузырь — это одна выборка из этого облака, и почти ни один не бывает в точности круглым.

Команда вывела квантовое состояние поля в момент рождения и показала, что его флуктуации подчиняются той же математике, которую Каллан и Коулман использовали для скорости распада, — теперь получившей ясный вероятностный смысл.

Насколько вдавлен?

Чтобы измерить бугристость, исследователи вычислили квадрупольный момент пузыря — ту часть его формы, которая делает его эллипсоидом, а не сферой. Ответ поразительно прост: типичная относительная деформация стенки составляет

δR/R ∼ (ℏ/S_b)^½,

где S_b — действие баунса (bounce action), число, которое также определяет, насколько редко происходит туннелирование, а ℏ — приведённая постоянная Планка. Для тонкой стенки множитель перед выражением равен примерно 1,2; для изученных семейств моделей он лежит примерно в пределах от 1,2 до 2,6.

Чтобы космический переход состоялся — чтобы пузыри появлялись и заполняли пространство, — S_b/ℏ должно лежать в районе от 120 до 150 для переходов при температурах от 100 ГэВ до 100 ТэВ. Это даёт деформацию примерно в 10% радиуса на моду.

Гладкая золотая сфера с подписью bounce рядом с бугристым белым комком с подписью nucleating bubble.

Слева: сферический баунс из учебников. Справа: один пузырь, случайно выбранный из квантового ансамбля, при S_b/ℏ = 100, при разрешении в одну десятую его радиуса; его стенка смещена на 17% радиуса в среднеквадратичном выражении. — Рисунок 1, Blum, Fadakar, Rosner & Pimentel (2026), arXiv:2610.41504.

Картина меняется в зависимости от разрешения: при более детальном рассмотрении стенка оказывается шероховатой на всех масштабах между её радиусом и её собственной толщиной. Квадруполь, как одна-единственная составляющая формы, такой оговорки не требует.

Толстые стенки и лёгкие вакуумы

Затем в статье проверяется, как результат зависит от строения пузыря. Для тонких стенок внутренние колебания стенки почти не играют роли: они подавлены кубом отношения толщины стенки к радиусу. Для толстых стенок их вклад больше, и множитель возрастает примерно до 2,6.

Точки, убывающие примерно от 2,6 до примерно 1,2, когда параметр меняется от 0 до 1; штриховая линия на уровне 1,206.

Относительная деформация на моду в единицах (ℏ/S_b)^½ для семейства потенциалов — от толстых стенок (слева) до тонких (справа): полный результат (кружки) и только смещение стенки (квадраты). Штриховая линия — предел тонкой стенки, 1,206. — Рисунок 2, Blum, Fadakar, Rosner & Pimentel (2026), arXiv:2610.41504.

Когда ложный вакуум «лёгкий» — его частицы гораздо легче, чем обратный размер пузыря, — у пузыря длинный хвост, и флуктуации вдоль этого хвоста преобладают, увеличивая результат на логарифм этого отношения масс. Каноническим примером такого случая статья называет собственный потенциал Хиггса Стандартной модели при очень больших значениях поля.

Попкорн и гравитационные волны

Пузырь, который не является круглым, может излучать. В более раннем исследовании, авторы которого — Блюм и Мирбабаи (Mirbabayi), были рассчитаны гравитационные волны от квантовых флуктуаций расширяющегося пузыря; новый расчёт воспроизводит его начальное состояние и распространяет его на полное поле. Проследить волны назад до самого момента рождения — задача будущих работ.

Приложение к статье под заголовком «Готовим попкорн» (Making popcorn) объясняет, как был нарисован бугристый пузырь с рисунка 1. Его последняя строка: «Не забудьте добавить масло и соль».