Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Наши возможности делать заключения о происходящем в мире основаны на наблюдении материальных последствий движения – наблюдении макроскопических кусков материи, изменивших или изменяющих свое положение. О внутренних свойствах квантовых объектов мы в состоянии судить благодаря запутыванию этих свойств с движением. «Непосредственного доступа» к ним у нас нет, и лучшее имеющееся объяснение квантового мира требует развития абстрактных понятий и строится в терминах ненаблюдаемых объектов – состояний (волновой функции). Описание движения при этом также в значительной мере растворяется в череде абстракций; понятия положения, количества движения (скорости) и энергии приобретают новый способ существования, не как числа, а как операторы – математические конструкции, выражающие собой готовность воздействовать на волновую функцию. Построенное с их использованием уравнение Шрёдингера описывает эволюцию волновой функции, где и предлагается искать ответы на вопросы, «что и куда движется». Ключевую роль в эволюции во времени берет на себя энергия в виде оператора, действующего на волновые функции. Одновременно с этим мир на фундаментальном уровне имеет вероятностную природу, и наблюдаемые в нем события – продукт действия законов, регулирующих случайность. Запутанность как особый вид согласованности между свойствами разнесенных в пространстве квантовых явлений позволяет «перемещать» волновую функцию с математической точностью, используя лишь короткие «классические» сообщения. Квантовая механика достигла грандиозных успехов, отвечая и на количественные, и на качественные вопросы о поведении и свойствах квантовых систем, но она в значительной мере оставляет нас в неведении относительно элементов реальности, поведение которых отражается в волновой функции.

Заключение Вселенная в движении

Вселенная – это пространство-время и материя, а также отношения между ними. Важнейшим таким отношением является движение. В нем проявляются разнообразные взаимосвязи между частями мира, а мы пользуемся им, чтобы изучать свойства Вселенной и прогнозировать происходящие в ней события. Движение встроено в фундаментальную научную картину мира на масштабах от много меньше атомного до несколько превосходящего наблюдаемую Вселенную.

Стратегия, приводящая к открытию нового, – поиск причин наблюдаемого движения. Мы виртуозно научились использовать движение одних частей мира, чтобы делать выводы о наличии и устройстве других. Движение – неотъемлемая составляющая наблюдений и экспериментов, которые служат двигателем познания и первоисточником концепций, формирующих научную картину мира. Используя движение, мы узнали о существовании атомного ядра, а затем и о структуре протонов и нейтронов. Особенный характер движения света привел к осознанию, что и темп времени, и порядок причинно не связанных событий зависят от относительного движения и что масса есть форма энергии. Сейчас мы ищем в Солнечной системе непредвиденную планету, догадка о которой возникла целиком и только из того, как движется около десятка открытых ранее небольших тел. О наличии планет у других звезд мы узнаём по небольшим раскачиваниям далеких светил. Наблюдаемое движение звезд в центре галактики Млечный Путь сообщает о том, какова в точности находящаяся там черная дыра. А движение звезд в других галактиках настойчиво рассказывает захватывающую историю, что все видимое вещество в космосе – лишь добавка к более массивным скоплениям невидимой («темной») материи; предположив ее существование, мы стали лучше понимать эволюцию Вселенной к ее нынешнему состоянию, сделавшему возможным наше появление.

Универсальность самого распространенного во Вселенной вида макроскопического движения – свободного падения – послужила указанием на связь материи и геометрии пространства-времени, что привело к впечатляющему прогрессу в понимании устройства Вселенной, как в отношении областей сильной гравитации, где черные дыры становятся ловушками даже для света, так и в отношении динамики Вселенной в целом – «всеобщего» взаимного удаления, т. е. расширения. Полученная из наблюдений оценка ускорения этого расширения поставила перед нами вопрос о его причине и привела к предположению о наличии отдельной сущности («темной энергии») со свойствами, отличающими ее от всего известного.