Когда речь заходит о самых глубоких и нерешённых загадках современной физики, на первый план выходят два феномена, которые, казалось бы, не имеют друг к другу никакого отношения. Один из них управляет расширением всей Вселенной в глобальных масштабах, а второй связывает элементарные частицы на уровне микромира, игнорируя расстояния и скорость света. Однако всё чаще в теоретической физике звучит вопрос: а не являются ли эти два явления проявлениями одной и той же фундаментальной структуры реальности? Изучение взаимосвязи тёмной энергии и квантовой запутанности может стать ключом к созданию теории квантовой гравитации.

Природа тёмной энергии: Космологическая константа или нечто иное

Тёмная энергия была открыта в конце XX века при наблюдении за сверхновыми типа Ia. Вопреки ожиданиям, расширение Вселенной не замедлялось под действием гравитации, а ускорялось. Это означало, что существует некая субстанция с отрицательным давлением, расталкивающая пространство изнутри. На сегодняшний день считается, что тёмная энергия составляет около 68% от всей энергетической плотности космоса. Она равномерно распределена в пространстве и не взаимодействует с обычным веществом иначе, как через гравитацию.

Основная проблема заключается в том, что расчёты, основанные на квантовой теории поля, предсказывают плотность энергии вакуума на 120 порядков больше, чем наблюдается. Это так называемая «проблема космологической постоянной». Учёные предполагают, что тёмная энергия может быть динамическим полем (квинтэссенцией), меняющимся во времени, или же проявлением голографических свойств пространства-времени.

«Тёмная энергия — это не просто «пустое» пространство. Это активная среда, которая определяет геометрию судьбы нашей Вселенной. Если мы поймём её микроскопическую природу, мы поймём, почему квантовый вакуум не обладает чудовищной гравитацией, которую предсказывают стандартные вычисления», — отмечает доктор физико-математических наук А. В. Смирнов, ведущий научный сотрудник Астрокосмического центра ФИАН.

Существует гипотеза, что тёмная энергия возникает из-за свойств самого пространства-времени на планковских масштабах. Если пространство не является непрерывным, а состоит из дискретных квантовых ячеек, то энергия этих ячеек может проявляться как антигравитация. Именно здесь на сцену выходит понятие запутанности, ведь связи между этими ячейками могут описываться не локальными законами, а квантовыми корреляциями.

Квантовая запутанность как фундамент пространства-времени

Квантовая запутанность описывает состояние, при котором две или более частицы оказываются настолько сильно связаны, что состояние одной мгновенно определяет состояние другой, независимо от разделяющего их расстояния. Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием», но эксперименты Алена Аспе и последующие проверки неравенств Белла подтвердили: природа действительно нелокальна. Сегодня запутанность рассматривается не просто как странный эффект, а как ресурс для квантовых вычислений и телепортации.

Однако в контексте космологии запутанность играет гораздо более фундаментальную роль. Согласно работам Марка ван Раамсдонка и Брайана Свингла, пространство-время может быть эмерджентным явлением, возникающим из сети запутанных квантовых состояний. Идея ER=EPR, предложенная Малдасеной и Сасскиндом, связывает червоточины (мосты Эйнштейна-Розена) с парами запутанных частиц. Если это верно, то само понятие расстояния — это мера количества запутанности между степенями свободы.

«Мы привыкли думать, что частицы находятся в пространстве. Но, возможно, всё наоборот: пространство создаётся связями между частицами. Если разорвать запутанность между двумя областями, они перестанут быть соседними, даже если формально находятся рядом. Это радикально меняет наш взгляд на гравитацию», — комментирует профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института Хироси Оогури.

Эта концепция имеет прямое отношение к тёмной энергии. Если вакуум обладает колоссальной энергией, но она не проявляется гравитационно в макромире, возможно, эта энергия «съедается» или нейтрализуется процессами, связанными с перестройкой запутанных связей. Иными словами, тёмная энергия и квантовая запутанность могут быть двумя сторонами одной медали: первая описывает объёмную плотность вакуума, а вторая — информационную структуру, которая этот вакуум формирует.

Данные в таблице основаны на результатах миссии Planck (2018) и теоретических работах по голографической энтропии. Стоит отметить, что если тёмная энергия измеряется напрямую через параметры расширения, то запутанность в космологических масштабах пока остаётся теоретической величиной, которую пытаются вычислить через энтропию горизонта событий.

Голографический принцип и энтропия горизонта

Голографический принцип утверждает, что вся информация, содержащаяся в объёме пространства, может быть закодирована на его границе. Максимальная энтропия любой области пространства пропорциональна площади её поверхности, а не объёму. Это было показано Бекенштейном и Хокингом для чёрных дыр. Если применить этот принцип ко всей наблюдаемой Вселенной, то её границей является космологический горизонт, радиус которого определяется именно тёмной энергией.

Энтропия запутанности между внутренней частью горизонта и внешней областью может быть ответственна за наблюдаемое ускорение. В работах Эрика Верлинде гравитация выводится как энтропийная сила, возникающая из-за изменения информации при смещении частиц. В такой картине тёмная энергия — это не вещество, а следствие того, что на горизонте Вселенной постоянно происходят квантовые флуктуации, порождающие новые запутанные пары.

• Космологический горизонт де Ситтера имеет температуру, пропорциональную постоянной Хаббла, что связывает его с квантовыми эффектами.
• Энтропия горизонта де Ситтера равна площади горизонта в планковских единицах, что указывает на голографическую природу вакуума.
• Изменение числа запутанных степеней свободы на горизонте может приводить к эффективному отрицательному давлению, характерному для тёмной энергии и квантовой запутанности.

Эта модель позволяет избежать проблемы 120 порядков, поскольку энергия вакуума в объёме не суммируется напрямую. Вместо этого учитывается только информационный поток через границу. При этом запутанность между внутренними и внешними модами ограничивает количество энергии, которое может быть «видимым» для гравитации внутри горизонта. Остальная энергия как бы остаётся закодированной в корреляциях, не создавая локального искривления.

Как видно из таблицы, голографический подход, связывающий запутанность с тёмной энергией, даёт значения, совпадающие с наблюдениями на много порядков лучше, чем наивная сумма вакуумных мод. Это сильный аргумент в пользу того, что информационная структура вакуума играет решающую роль в космологии.

Физики также рассматривают возможность того, что ускоренное расширение — это фазовый переход в сети запутанных состояний. Подобно тому, как вода при замерзании меняет свои свойства, вакуум мог перейти из состояния с высокой запутанностью в состояние с другой топологией связей. Этот переход мог бы сопровождаться выделением энергии, воспринимаемой нами как тёмная энергия. В таком сценарии тёмная энергия и квантовая запутанность перестают быть независимыми концепциями, становясь динамическими характеристиками одной и той же квантовой гравитационной системы.

«Если мы представим вакуум как тензорную сеть, где каждый узел — это кубит, а связи — запутанность, то тёмная энергия может быть просто мерой «натяжения» этих связей. Когда сеть пытается минимизировать свою энергию, она расширяется, увеличивая площадь горизонта. Это очень элегантное объяснение ускорения», — делится гипотезой доктор Л. М. Краусс, космолог из Университета штата Аризона.

Критики такого подхода указывают на отсутствие прямых экспериментальных подтверждений. Мы не можем измерить запутанность между модами вакуума на горизонте напрямую. Однако косвенные проверки возможны через анализ реликтового излучения. Если запутанность играет роль в формировании крупномасштабной структуры, то в спектре мощности флуктуаций могут остаться характерные следы — негауссовости или специфические корреляции на сверхгоризонтных масштабах. Будущие миссии, такие как LiteBIRD или обновлённые данные Planck, могут пролить свет на эти эффекты.

Ещё один важный аспект — связь с проблемой времени. В квантовой механике время является внешним параметром, но в общей теории относительности оно динамично. Если пространство-время эмерджентно из запутанности, то и время должно возникать из корреляций. Тёмная энергия, будучи связанной с горизонтом, определяет глобальную стрелу времени через рост энтропии. Таким образом, ускоренное расширение может быть следствием второго начала термодинамики в применении к запутанным степеням свободы Вселенной.

Исследования в этой области активно ведутся в рамках сотрудничества It from Qubit, объединяющего специалистов по квантовой информации и гравитации. Они пытаются построить модель, в которой геометрия пространства (включая его расширение) полностью выводится из состояний кубитов на границе. Если это удастся, то знаменитая формула ER=EPR получит космологическое продолжение: горизонт де Ситтера будет связан с максимально запутанным состоянием вакуума, а его площадь будет пропорциональна энтропии запутанности.

На практике это означает, что для объяснения тёмной энергии нам, возможно, не нужно вводить новые поля или модифицировать гравитацию. Достаточно правильно учесть квантово-информационные свойства вакуума. Однако математический аппарат для этого ещё не создан полностью. Существующие вычисления в рамках AdS/CFT соответствия работают для анти-де Ситтеровского пространства с отрицательной космологической постоянной, тогда как наша Вселенная описывается положительной. Перенос результатов на де Ситтеровский случай — одна из главных задач современной теоретической физики.

Таким образом, на пересечении космологии и квантовой информации рождается новая парадигма, в которой тёмная энергия перестаёт быть загадочной субстанцией и становится проявлением глубокой запутанности, лежащей в основе мироздания. Решение этой головоломки может не только объяснить ускоренное расширение, но и объединить квантовую механику с общей теорией относительности, открыв путь к единой теории поля.