Мигуэль Сабадел - Наука. Величайшие теории: выпуск 6: Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика
Все это наглядно показывает, каким запутанным делом может быть изучение физики — науки, с которой Ричард Фейнман связал свою жизнь.
Мир, увиденный в МТИ
В начале XX века в физике задавали тон европейские ученые. Квантовая теория развивалась вне Соединенных Штатов Америки, которые стремились компенсировать свое отставание с помощью чековой книжки, покупая «умы». Зимой 1932 года Авраам Флекснер, создатель и первый директор Института перспективных исследований Принстона, убедил Альберта Эйнштейна стать в нем профессором. Эйнштейн вместе со своей супругой Эльзой, секретарем Элен Дукас и ассистентом Вальтером Майером 17 октября 1933 года прибыл в Нью-Йорк.
Принцип неопределенности «по Азимову»
В своей книге Asimov on physics (1976) писатель Айзек Азимов (1920-1992) объясняет связь между энергией и временем, используя для этого следующую аналогию: в классе один ученик любит проказничать каждый раз, когда учитель поворачивается, чтобы писать на доске. Если мальчик двигается мало (то, что в квантовом мире соответствует явлению, требующему малое количество энергии) и только показывает язык, он сможет кривляться в течение значительно долгого интервала времени. Однако, если он совершает другие «геройства», например встает из-за своей парты (то, что требует много энергии), ему нужно быть очень быстрым, чтобы учитель его не подловил. Это могло бы показаться нарушением святейшего принципа сохранения энергии, но принцип неопределенности Гейзенберга остается неопровержимым: допустимо «позаимствовать» энергию в таком количестве, чтобы можно было ее вернуть по окончании срока «займа». Чем больше количество позаимствованной энергии, тем более недолговременным будет займ.
Айзек Азимов в 1965 году.
Французский физик Поль Ланжевен высказался по этому поводу так: «Это такое же важное событие, как и воображаемый переезд Ватикана в Новый Свет. Папа физики уехал, и Соединенные Штаты Америки стали мировым центром естественных наук». Здесь, в Нью-Йорке, обсаженная деревьями аллея вела в дом ученого на улице Мерсер, где и был создан его легендарный образ.
Представления американских физиков были иными, чем в Европе. В то время как в Старом Свете обсуждали философские аспекты квантовой механики, американские взгляды еще находилась под влиянием идей Томаса Эдисона: теоретическая физика должна служить экспериментальной физике. В свете концептуальной революции, пришедшей из Европы, Джон К. Слейтер позволил себе провокационное заявление: «Физик-теоретик должен требовать от своих теорий лишь одно: делать достаточно точные прогнозы результатов экспериментов». Физик-ядерщик Эдвард Кондон (который станет известным в 1960-е годы во время руководства Боулдеровским проектом по НЛО в Колорадском университете) объяснял с иронией свое видение работы физиков-теоретиков: «Они тщательно изучают результаты, полученные от физиков-экспериментаторов, затем переформулируют их труд в статьях, настолько математических, что даже им самим сложно их читать».
Такое отношение к теоретической физике не предвещало ничего хорошего для математиков... Несмотря на все это, Фейнман прибыл в МТИ с намерением изучать именно математику. К середине первого семестра он вошел в кабинет директора департамента математики и задал ему классический вопрос: «Для чего необходима математика?» И получил вполне классический ответ: «Если вы задаете себе подобный вопрос, значит, вы ошиблись в выборе профессии». Директор не преминул проинформировать его о том, что существовала возможность избежать карьеры преподавателя математики: необходимо было стать агентом в страховой компании. Карьера офисного сотрудника совсем не привлекала Фейнмана, и он даже захотел заняться электротехникой. Но ему не понравилось, что этот предмет слишком сосредоточен на практических результатах. И далее он уже обратился к физике.
МТИ имел очень четкую идею управления своим научным департаментом. Джордж Истмен, изобретатель фотопленки, профинансировал работу новых лабораторий физики и химии. Среди главных объектов исследований фигурировало использование электромагнитного спектра для обнаружения тайн, спрятанных внутри материи: приближалась эпоха масштабной спектроскопии. В качестве дополнения к этой экспериментальной программе для студентов читали курс «Введение в теоретическую физику».
Массовая научная эмиграция
Большая диаспора еврейских ученых начала формироваться в 1933 году, с приходом к власти нацистской партии. Начиная с 1928 года антисемитизм все более усиливался в Германии: сам Эйнштейн для собственной безопасности решил не появляться больше на публике. Арнольд Зоммерфельд, сделавший большой вклад в квантовую теорию, посередине лекции разбил в аудитории доску, когда открыл ее и увидел надпись «Проклятые евреи!» В Германии был принят закон, запрещающий евреям, их детям и внукам занимать административные должности. Из-за этого мать Ханса Бете потеряла работу. Как и многие другие, он покинул Германию: уехал в Англию и в феврале 1935 года окончательно поселился в Итаке, на территории Соединенных Штатов Америки. Также как и Бете, много европейских ученых поднялись на палубу нового Мэйфлауэра, чтобы отправиться в США. В этом же году Фейнман покинул свой город и отправился в Бостон, чтобы учиться в МТИ. Его прошение для поступления в Колумбийский университет в Нью-Йорке было отклонено. Трое лучших американских физиков работали на тот момент в МТИ: Джон С. Слейтер, Филип М. Морс и Джулиус А. Страттон.
Начиная с 1935 года магазины в нацистской Германии, принадлежащие евреям, подвергались погромам, чтобы люди ничего в них не покупали. На витринах можно было прочитать: «Еврей!»
Первый контакт с квантовой теорией поля
Весной 1936 года Теодор А. Велтон и Фейнман горели желанием изучить новую квантовую теорию. С малым количеством книг, которые были в их распоряжении, два молодых человека решили заняться самообразованием, и буквально через несколько месяцев они уже знали мельчайшие детали квантовой революции. В письме, датированном от 23 июля 1936 года, Велтон пишет:
«Дорогой Р.Ф... Я понял, что ты написал это уравнение:
[(Pμ - Kμ) gμv (Pμ - Kμ)+m²c²]ψ=0»
То, что недавно «открыл» молодой Фейнман, является уравнением Клейна — Гордона, релятивистской версией уравнения Шрёдингера. «Почему ты не применяешь его к водородному атому?» — давит на него тогда Велтон. Фейнман проводит расчеты и, как это было в случае со Шрёдингером десятью годами ранее, приходит к выводу, что данное уравнение не годится для достаточно точных прогнозов. И действительно, уравнение Клейна — Гордона не подходит для исследования поведения релятивистских электронов: когда речь идет о релятивистской частице, это означает, что она движется со скоростью, близкой к скорости света. Факт, доказанный Полем Дираком, за который он получил Нобелевскую премию. Для Фейнмана это настоящий шок. Но он извлекает из него урок: красота какой- либо теории заключается не в математической элегантности, а в том, что она является «лакмусовой бумажкой» реального мира. Сам того не зная, он впервые сталкивается с теорией поля, которая принесет ему Нобелевскую премию.
Целью курса было объединить предметы, которые студенты изучили, такие как электромагнетизм, термодинамика, оптика и так далее. Но главной задачей было преподать основы спектроскопии, а именно современную атомную теорию. Среди немногих учеников, посещавших этот курс, присутствовали двое новичков: Фейнман и один молодой человек, уроженец Саратога-Спрингс, штат Нью-Йорк, Теодор А. Велтон. Они быстро стали друзьями: Велтон говорил, что он знал теорию относительности Эйнштейна, а Фейнман изучил квантовую механику, читая книгу некоего Дирака. Другие студенты курса очень скоро заметили, что эти двое были весьма одаренными учениками. В курсе введения в теоретическую физику Фейнман узнал небольшой математический прием, сыгравший ключевую роль в его манере исследования. Однако, в отличие от своих товарищей, он отнесся к данному приему довольно прохладно, когда услышал о нем впервые.
Спасатель и купальщик
РИС. 5
Чтобы решить эту классическую проблему, нужно учесть тот факт, что спасатель передвигается быстрее по песку, чем в воде.Таким образом, самая быстрая дорога расположена между самой короткой дорогой по прямой линии и той,которая занимает меньше всего времени в воде.
