Был ли весь мир квантово запутан в момент Большого взрыва? Эксперимент на БАК дает утвердительный ответ

Недавние эксперименты на Большом адронном коллайдере доказали: в процессах, протекающих при энергиях в сотни гигаэлектронвольт, элементарные частицы рождаются в квантово-запутанных состояниях. Детекторы ATLAS и CMS зафиксировали этот эффект сначала для пар тяжелых топ-кварков, а затем и для массивных Z-бозонов, возникающих при распаде бозона Хиггса.

Экстремальные энергии столкновения протонов на коллайдере воспроизводят физические условия, существовавшие спустя доли пикосекунды после начала расширения Вселенной. Если современная физика высоких энергий подтверждает, что квантовая нелокальность неизбежно возникает при рождении элементарных частиц в высокоэнергетических процессах, логика приводит к масштабному вопросу: находилась ли вся материя Вселенной в едином квантово-запутанном состоянии в момент Большого взрыва?

Физический ответ на этот вопрос утвердителен, однако механизм эволюции этой первичной запутанности парадоксален: именно распад локальных квантовых связей сформировал ту структуру макроскопического мира, которую мы наблюдаем сегодня.

Начальное состояние: квантовая природа ранней Вселенной

В стандартной космологической модели материя и пространство-время в планковскую эпоху (первые десять в минус сорок третьей степени секунды) находились в состоянии экстремальной плотности энергии и температуры. Вся наблюдаемая сегодня область Вселенной была сосредоточена в пространственном объеме, размеры которого были сопоставимы с масштабами микромира.

На этих масштабах классическая гравитация и термодинамика теряют применимость. Поведение материи и самого пространства определялось квантовыми законами. Физические поля не представляли собой совокупность изолированных частиц; они находились в состоянии непрерывного взаимодействия.

В квантовой теории поля частицы рассматриваются как возбуждения фундаментальных полей. В условиях ранней Вселенной сверхвысокие энергии приводили к непрерывному рождению и аннигиляции пар частиц и античастиц. Любое рождение пары из скалярного вакуума или в результате распада тяжелых состояний подчиняется строгим законам сохранения электрического заряда, лептонного и барионного чисел, а также момента импульса.

Когда из единого квантового процесса рождаются две или более частицы, сохранение суммарного углового момента означает, что квантовые состояния этих частиц не могут быть независимыми. Они неизбежно образуют когерентную суперпозицию всех разрешенных конфигураций.

Поскольку в первичной Вселенной плотность квантовых полей была максимальной, а все точки пространства находились в причинной связи, общее квантовое состояние первичной плазмы представляло собой единую несепарабельную волновую функцию. Каждая степень свободы была квантово сцеплена с другими степенями свободы.

Теорема о моногамии: почему запутанность не может объединять все объекты одинаково

Если все частицы ранней Вселенной возникли из единой квантовой среды, возникает вопрос: почему макроскопические тела вокруг нас не демонстрируют квантовой запутанности между собой? Почему свойства атома на Земле не связаны жестко с состоянием атома в далекой галактике?

Главная причина заключается в фундаментальном математическом законе квантовой теории информации, известном как теорема о моногамии квантовой запутанности.

В классической физике корреляция может быть сколь угодно широкой: если вы размножите один и тот же бит информации на миллион носителей, каждый из них будет одинаково жестко скоррелирован со всеми остальными. В квантовой механике этот принцип не работает. Теорема моногамии утверждает: если две квантовые системы (например, две частицы) максимально запутаны друг с другом, ни одна из них не может быть одновременно запутана с третьей независимой системой.

Когда запутавшаяся пара частиц вступает во взаимодействие с окружающей средой — сталкивается с другими частицами в плотной высокотемпературной плазме — исходная двухчастичная запутанность начинает перераспределяться. Двухчастичная связь переходит в многочастичную запутанность, распределенную между тремя, четырьмя, а затем и миллиардами взаимодействующих степеней свободы.

При таком перераспределении сила квантовой корреляции между исходной парой частиц стремительно падает до нуля. Для любого локального наблюдателя, который имеет доступ только к отдельным частицам, а не ко всей совокупности взаимодействующих объектов разом, квантовая связь исчезает. Состояние отдельной частицы становится неотличимым от классического теплового шума.

Космическая инфляция: перевод квантовых состояний в классические

Второй критический фактор, разрушивший первичную локальную запутанность, — это космическая инфляция. В период между десятью в минус тридцать шестой и десятью в минус тридцать второй степени секунды после Большого взрыва масштаб пространства начал экспоненциально увеличиваться под действием энергии скалярного поля (инфлатона).

До начала инфляции в вакууме поля непрерывно рождались виртуальные квантовые флуктуации. Каждая такая флуктуация состояла из пары квантовых мод с равными по величине и противоположно направленными импульсами, находившихся в строго запутанном состоянии.

Экспоненциальное расширение пространства привело к эффекту: пространственные расстояния между запутавшимися модами начали расти со скоростью, превышающей скорость света. За доли секунды длина волны квантовых флуктуаций растянулась от субатомных масштабов до астрономических величин.

В результате моды квантового поля оказались разнесены за пределы космологического горизонта событий. Они потеряли возможность причинно взаимодействовать друг с другом.

Когда длина волны флуктуации превышает горизонт событий, квантовая система претерпевает фундаментальную трансформацию:

1. Ее квантовые фазовые соотношения становятся неизмеримыми для локального наблюдателя внутри горизонта.
2. Неопределенность квантового состояния замораживается гравитационным полем расширяющегося пространства.
3. Квантовая флуктуация плотности необратимо превращается в классическое возмущение плотности материи.

Именно эти растянутые и потерявшие фазовую когерентность квантовые неоднородности создали первичные перепады плотности во Вселенной. Позже под действием гравитации в областях повышенной плотности сформировались галактики, звезды и планеты.

Картина температурных флуктуаций реликтового излучения, которую регистрируют современные космические телескопы, представляет собой распределение тех самых квантовых флуктуаций, трансформированных расширением Вселенной в классические вариации температуры.

Декогеренция: как микроскопическая связь растворяется в макромире

После завершения инфляции Вселенная вступила в эпоху горячего Большого взрыва. Плотность энергии перешла в тепловую форму, образовав высокотемпературную плазму из кварков, глюонов, лептонов и фотонов.

В этой среде доминирующим процессом стала квантовая декогеренция.

Декогеренция — это не уничтожение квантовой информации, а ее необратимое рассеяние по огромному числу степеней свободы окружающей среды. Когда элементарная частица постоянно испытывает столкновения с фотонами и другими частицами, фазовая информация ее квантового состояния мгновенно передается всей окружающей среде.

Если записать квантовое состояние частицы через матрицу плотности, декогеренция приводит к быстрому обнулению ее недиагональных элементов. Исчезают квантовые интерференционные члены, которые отвечают за суперпозицию и запутанность. Матрица плотности становится чисто диагональной.

Для любого физического прибора или наблюдателя это означает, что квантовая система начинает вести себя как классический вероятностный объект. Запутанность между конкретными двумя частицами перестает существовать, растворяясь в колоссальном коллективном состоянии теплового равновесия.

Остается ли Вселенная квантово-запутанной сегодня?

Ответ на этот вопрос зависит от того, с какой позиции описывать Вселенную: локальной или глобальной.

С локальной точки зрения (с позиции физика или наблюдателя внутри Вселенной): первичная запутанность полностью исчезла. Время декогеренции в макроскопических условиях составляет ничтожные доли секунды (менее десяти в минус двадцатой степени секунды для объектов макроскопической массы при комнатной температуре). Любая попытка обнаружить прямую квантовую запутанность между случайными атомами во Вселенной обречена на провал: хаотические тепловые взаимодействия полностью разрушили фазовую когерентность. Локально Вселенная функционирует по законам классической физики.

С глобальной точки зрения (с позиции квантовой теории всего пространства): согласно уравнению Шрёдингера, квантовая эволюция замкнутой физической системы строго унитарна. Унитарность означает, что квантовая информация не может исчезать бесследно, а полная сумма вероятностей всегда равна единице.

Вселенная по определению является абсолютно изолированной и замкнутой системой: у нее нет «внешней среды», в которую могла бы утечь информация. Это означает, что если в момент Большого взрыва Вселенная находилась в чистом квантовом состоянии, то глобально она продолжает оставаться в чистом квантовом состоянии и сегодня.

Глобальная волновая функция Вселенной по-прежнему представляет собой колоссальное квантово-запутанное состояние. Однако эта запутанность теперь связывает не отдельные пары частиц, а всю совокупность материи, излучения и самих наблюдателей. Каждый акт взаимодействия в истории космоса — каждое излучение фотона звездой, каждое столкновение атомов в газовом облаке — увеличивал степень многочастичной запутанности Вселенной как целого.

Физический итог

Эксперименты на Большом адронном коллайдере показывают нам элементарный фрагмент фундаментального механизма: при распаде тяжелых частиц законы сохранения неизбежно создают пары со строго запутанными спинами.

В момент Большого взрыва подобные процессы происходили во всем объеме пространства с максимальной интенсивностью. Ранняя Вселенная действительно была полностью квантово-запутанной.

Но парадокс эволюции космоса заключается в том, что макроскопический мир смог возникнуть лишь благодаря утрате этих связей. Космическая инфляция разорвала первичные квантовые моды горизонта событий, превратив квантовые флуктуации в зародыши галактик. А непрерывные столкновения частиц в горячей плазме за счет теоремы моногамии и декогеренции изолировали отдельные атомы друг от друга, создав устойчивую классическую реальность, в которой законы квантовой нелокальности уступили место детерминированным законам макромира.

Источник: Physical Review Letters