В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздулась быстрее, чем свет успевал её пересечь. Этот рывок, который физики называют инфляцией, растянул крошечные квантовые дрожания до размеров галактик. Обычно считается, что после такого растяжения дрожания теряют квантовый характер и становятся обычными, как рябь на воде. Однако новая работа предлагает способ проверить, не сохранилась ли в них квантовая связь, которую называют запутанностью.

Запутанность похожа на пару монет, которые всегда падают разными сторонами, даже если их бросить в разных городах. Если одна выпала орлом, другая тут же окажется решкой, и это не совпадение, а глубинная связь. В ранней Вселенной такие пары могли рождаться из гравитационных волн, точнее, из их мельчайших порций, гравитонов. Гравитон подобен фотону, но переносит не свет, а силу тяжести. У каждого гравитона есть поляризация, то есть направление колебаний, как у натянутой струны.

Авторы работы показывают, что такая запутанная пара оставляет след в распределении вещества, когда гравитоны взаимодействуют с обычными возмущениями плотности. Этот след можно искать в том, как галактики выстраиваются вдоль невидимых нитей тёмной материи. Чтобы отличить квантовый след от классического, используется неравенство Белла, знаменитый тест на запутанность. Если измеренная величина превышает определённый предел, значит, связь была квантовой.

Горизонт Вселенной во время инфляции играл роль измерительного прибора. Он собирал информацию о том, какой путь прошла каждая флуктуация, и тем самым разрушал квантовую связь. Это похоже на то, как наблюдение за частицей в интерферометре фиксирует её траекторию и уничтожает интерференцию. Но даже после такого разрушения корреляция между поляризациями сохраняется, и её можно вычислить по форме четырёхточечной функции, то есть по статистике расположения четырёх галактик.

Сегодня этот след можно искать в данных обзоров неба, таких как Euclid или DESI. Если сигнал найдётся, это станет первым прямым доказательством того, что квантовая механика действовала на масштабах всей Вселенной в момент её рождения. Пока такого доказательства нет, но теперь у нас есть конкретный рецепт, как его получить. Возможно, в распределении галактик уже скрыт ответ, и нам осталось лишь правильно его прочитать.