Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана - Джеймс Глик

Так как Фейнман был ассистентом Уилера, ему часто приходилось подменять преподавателя сначала на занятиях по механике, позже — по ядерной физике. И он вскоре понял, что выступать в аудитории, заполненной студентами, — часть выбранной им профессии. Фейнман и Уилер встречались каждую неделю, чтобы обсудить, как продвигаются исследования. Поначалу задачи ставил Уилер, потом они стали принимать решения вместе.

В первые четыре десятилетия XX века в физике был совершен невероятный прорыв. Теория относительности, квантовая теория, космические лучи, радиация, строение атомного ядра — те направления, к которым были обращены взгляды ведущих ученых. Такие классические разделы физики, как механика, термодинамика, гидродинамика и статическая механика, остались в стороне, и сообразительным аспирантам, открытым новым теориям, эти области представлялись наукой из учебников, уже ставшей частью истории или, в прикладном варианте, машиностроения. Физика была, как выразился ее летописец Абрахам Пайс[81], «обращена внутрь». Теоретиков интересовало строение ядра атома. Это направление стало приоритетным. Самое дорогостоящее экспериментальное оборудование: его стоимость могла достигать тысяч, а иногда и десятков тысяч долларов. Огромное потребление энергии. Непознанный мир новых веществ и «частиц» (это слово стало приобретать особое значение). Предлагаемые идеи казались странными и непонятными. Теория относительности, существенно повлиявшая на понимание космоса астрономами, практическое применение нашла в атомной физике, где ввиду того, что скорости частиц близки к скорости света, без релятивистской математики просто нельзя было обойтись. При проведении экспериментов использовались все более высокие мощности, что позволяло получать более значимые результаты. Благодаря квантовой механике физика утвердила свое превосходство над химией, которая до этого считалась самой фундаментальной наукой, так как объясняла основные законы природы.

Но в конце 1930-х — начале 1940-х годов физика элементарных частиц еще не считалась среди ученых приоритетным направлением. Так, в качестве темы ежегодной Вашингтонской конференции по физике в 1940 году организаторы рассматривали два варианта: «Элементарные частицы» и «Недра Земли» и выбрали в итоге второй. Но ни у Фейнмана, ни у Уилера не было сомнений в том, какое направление наиболее интересно и перспективно для теоретиков. Самым слабо развитым направлением фундаментальной физики в тот период была квантовая механика. Еще во время учебы в МТИ Фейнман прочел работу Дирака, опубликованную в 1935 году, в которой тот пришел к самому невероятному выводу: «Кажется, здесь нужны принципиально новые физические идеи». Дирак и другие первооткрыватели создали квантовую электродинамику — теорию взаимодействия электричества, магнетизма, света и материи — и развили ее настолько, насколько могли. Тем не менее теория оставалась незавершенной, и Дирак это хорошо знал.

Было непонятно, каким может быть электрон — фундаментальная частица с отрицательным зарядом. В тот период современное представление об электроне еще не вполне сформировалось, хотя в наше время многие школьники могут непосредственно на своих столах проводить эксперименты, которые демонстрируют, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела кратен заряду электрона. Но все же, что представляет собой электрон? Вильгельм Рентген, обнаруживший существование высокоэнергетических лучей, названных впоследствии его именем, запретил использовать это неожиданно получившее распространение слово в своих лабораториях еще в 1920 году. В трудах по квантовой механике ученые пытались описать заряд электрона, его массу, импульс, энергию или спин почти в каждом новом уравнении, однако хранили молчание по поводу самой его природы. Особенно остро стоял вопрос: был ли он частицей, имеющей конечные размеры, или бесконечно малой точкой? В модели атома Нильса Бора, уже устаревшей к тому моменту, предполагалось, что электроны, как миниатюрные планеты, вращаются вокруг ядра. Теперь же казалось, что электроны скорее являются гармоническими колебаниями. В некоторых формулировках электрон больше походил на волны, причем волна представляла собой распределение вероятностей их возникновения в конкретном месте в конкретное время. Но возникновение чего? Объекта, элемента, частицы?

Даже до появления квантовой механики классическое представление об электроне вызывало сомнения. Из уравнения, описывающего зависимость энергии (или массы) и заряда электрона и в которое входит еще один параметр — его радиус, следует, что с уменьшением размера электрона его энергия должна возрастать, подобно тому, как давление молотка, сосредоточенное в острие гвоздя, по которому он бьет, увеличивается до тысячи килограммов на квадратный сантиметр. Кроме того, если представлять электрон в виде крошечного шарика определенного размера, то возникает вопрос: почему он не разрушается под воздействием собственного заряда, какая сила удерживает его от этого? Оказалось, что физики манипулируют величиной, называемой «классический радиус электрона». Слово «классический» в данном контексте было своего рода прикрытием. Проблема заключалась в том, что при использовании альтернативного варианта, в котором электроны считаются бесконечно малыми точками, уравнения электродинамики не решаются: при делении на ноль получается бесконечность. Бесконечно маленькие гвозди, бесконечно сильные молотки.

В некотором смысле уравнения оценивали воздействие заряда электрона на самого себя, то есть его «собственную энергию». Это самовоздействие постепенно возрастало при приближении к центру электрона, но было непонятно, что будет, если в расчетах достичь центра электрона. Когда расстояние до центра становилось равным нулю, величина воздействия становилась равной бесконечности. Это казалось невозможным. Волновое уравнение квантовой механики только все усложняло. Чтобы избежать деления на ноль, которое во время учебы в школе вызывает ужас у учеников, физики задумались о создании уравнений, которые позволили бы выйти за пределы этих ограничений, ведь они суммировали бесконечное множество длин волн, бесконечное множество колебаний поля. Но даже тогда Фейнман не до конца понимал эту формулировку задачи, связанную с бесконечностью. Иногда, при решении достаточно простых задач, физикам удавалось получать разумные ответы, если они считали целесообразным отбрасывать те части уравнения, которые расходились с результатами. Как заметил Дирак в выводах к своей работе «Принципы квантовой механики», бесконечности в уравнении означали, что теория была фатально ошибочной. Появилось ощущение, что необходимы принципиально новые физические идеи.

Фейнман склонялся к решению настолько радикальному и простому, что его мог бы принять лишь человек, совершенно незнакомый с научной литературой. Он допустил (пока только для себя), что электроны вообще не могут воздействовать на себя. Такое предположение нуждалось в доказательстве и казалось довольно глупым. Однако, как он и ожидал, если исключить воздействие электрона на себя, то устранялось и воздействие поля как такового. Именно поле, представляющее собой суммарное воздействие зарядов всех электронов, и вызывало «самовоздействие». Заряд электрона оказывал влияние на поле, а поле, в свою очередь, воздействовало на электрон. Если предположить, что поля не существует, можно не учитывать его влияние на электроны. Тогда на каждый электрон будут оказывать влияние только другие электроны. Таким образом, будут осуществляться только непосредственные взаимодействия между зарядами. В этом случае в уравнении необходимо учесть задержку во времени, потому что, в какой бы форме это взаимодействие ни происходило, оно едва ли могло осуществляться со скоростью, превышающей скорость света. Взаимодействие было легким и осуществлялось в виде радиоволн, видимого света, рентгеновских лучей или любых других видов электромагнитного излучения. «Встряхни что-то одно, через какое-то время встряхнется и что-то другое, — сказал Фейнман позже. — Атомы на Солнце приходят в движение, а восемь минут спустя[82] начинают колебаться электроны в моих глазах. Это и есть прямое воздействие».