Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Движение на прогулке 11
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.
Окружающие нас вещи «наполнены» движением составляющих их атомов и молекул, и это движение во многом определяет свойства этих вещей. Законы, которые управляют массовым поведением малых частей, критически важны в самом широком диапазоне явлений: эти законы контролируют превращение тепловой энергии в работу и одновременно имеют первостепенную важность для формирования и существования различных структур во Вселенной. Принципиальную роль при этом играет информационная невозможность знания об индивидуальном поведении микроскопических деталей. Потерянное знание о движении внутри вещей измеряется энтропией, возрастание которой отражает захват этим движением все большего числа возможностей. Эта концепция, исходно сформировавшаяся при изучении рассеянного движения атомов и молекул, дала первые подсказки о квантовой природе мира, а сейчас находит применение при рассмотрении квантовой природы черных дыр.
На фундаментальном уровне организации материи движение оказалось лишенным привычной наглядности: перемещение в пространстве происходит без определенной траектории, а «вращение» – без определенной оси вращения. Осуществляющееся по необычным законам движение на этом масштабе тем не менее лежит в основе структурирования мира: атомы образуются из более простых частей путем «захвата» этими частями движения друг друга, а требования к такому захвату оказываются столь жесткими, что все атомы одного элемента получаются совершенно одинаковыми; поэтому все разнообразие мира складывается из относительно небольшого числа деталей, повторяющихся во всех уголках космоса.
За пределами наглядности описание природы опирается на абстракции того или иного рода. Они помогают получать знание с помощью логического анализа, и в первую очередь его математических средств, которые во многом обязаны своим развитием предшествовавшим этапам изучения движения на более близких нам масштабах. Единство фундаментальной научной картины мира поддерживается при этом принципом соответствия: новые теоретические элементы должны демонстрировать согласие с установленными ранее в области применимости этих последних. Изучение движения открыло ряд максимально общих фактов о природе вещей, таких как законы сохранения, которые могут служить организующими принципами и за пределами изученных масштабов. А те особенности наблюдаемого движения, которые не объясняются влиянием ранее неизвестных частей мира, могут требовать расширения наших представлений о законах, по которым этот мир функционирует.
Мы начали наше путешествие с эллипсов, полученных Кеплером, который и помыслить не мог об открывшихся
