Фейнман. Квантовая электродинамика

Введение

Вот несколько фактов из моей жизни: я родился в 1918 году в маленьком городке под названием Фар-Рокуэй, недалеко от Нью-Йорка, рядом с океаном. Я прожил там 17 лет до 1935 года. Четыре года я проучился в Массачусетском технологическом институте (МТИ), после чего, в середине 1939 года, я поступил в Принстонский университет. В период моей учебы в Принстоне я начал работать над Манхэттенским проектом, а затем, в апреле 1943 года, переехал в Лос-Аламос. Там я жил примерно до октября или ноября 1945 года, пока не получил приглашение от Корнелльского университета. Я женился на Арлин в 1941 году. Она умерла от туберкулеза в 1945 году, в тот момент я находился в Лос-Аламосе. Я пробыл в Корнелле до 1951 года. В 1950 году я отправился в Бразилию и оставался там около шести месяцев. Наконец, я был принят в Калифорнийский технологический институт (Калтех), в котором работаю до сих пор. Две недели в конце 1951 года я провел в Японии, а через несколько лет сочетался браком с Мэри Лу. В настоящее время я женат на Гвинет, она англичанка, и у нас двое детей, Карл и Мишель.

Именно в такой лаконичной манере Ричард Филлипс Фейнман (его еще называют Дик Фейнман) рассказал свою историю в 1985 году при публикации своей книги «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!», где были собраны анекдоты из жизни ученого. Данное произведение 14 недель оставалось на пике славы, находясь в списке бестселлеров New York Times; сейчас оно значится в перечне уникальных научных книг, которые продолжают переиздавать. Так же, как и другая автобиография Фейнмана под названием «Какое тебе дело до того, что думают другие?», эта книга раскрывает характер одинокого человека, владеющего незаурядной интуицией в области физики. Свидетельством признания его исключительных способностей стало и то, что его интервью 1979 года журналу Omni было озаглавлено как «Самый умный человек в мире». Молва утверждает, что когда мать Фейнмана прочитала это название, она не смогла сдержаться и воскликнула: «Наш Ричард? Самый умный человек в мире? В хорошенькое же положение мы попали!»

В декабре 1999 года журнал Physics World направил анкету 250 физикам, где их просили, между прочим, указать пять человек, внесших, по их мнению, важнейший вклад в физическую науку: в результате Фейнман занял седьмое место после Эйнштейна, Ньютона, Максвелла, Бора, Гейзенберга и Галилея. Многие современные физики были поражены, увидев, что их коллега был поставлен на один пьедестал с Эйнштейном. Одним из самых ошеломленных ученых оказался и Марри Гелл- Ман, который тоже являлся лауреатом Нобелевской премии по физике. Давний коллега Фейнмана пришел в физику, чтобы навести порядок в субатомном «зверинце», создав свою теорию о кварках, этих маленьких «осколках», из которых состоят протоны, нейтроны и ряд других частиц. И в течение многих лет одной из любимых тем для разговора в мире физики был вопрос: «Кто умнее? Марри или Дик?»

Достаточно окинуть взглядом библиотеку Калифорнийского технологического института в Пасадене, знаменитого Калтеха, в котором Фейнман проработал до самой смерти, чтобы понять значимость его роли в науке. На стеллажах можно увидеть образцы его незаурядных достижений. Это сочинения человека, которого расценивают как великого физика второй половины XX века. Там также находятся три биографии ученого, два тома его автобиографических воспоминаний, коллекция рисунков, сделанных его рукой, и свидетельства его участия в спектаклях, в которых он играл на бонго, — сложно остановить свой выбор на чем-то одном. С момента смерти физика в 1988 году его дело, которое можно назвать «индустрией Фейнмана», отнюдь не ушло в прошлое. Недавние произведения, такие как «Шесть лекций попроще и шесть посложнее», «Лекция, потерянная Фейнманом» или «Курс физики Фейнмана», сборник задач по элементарной физике в трех томах, который мэтр издал в начале 1960 года (и который был переиздан и дополнен в 2005 году), продолжают демонстрировать, насколько незаурядным ученым был их автор.

Очарованность многих поколений физиков этой личностью отчасти объясняется магнетизмом, неотразимым шармом, которым обладал Фейнман и который не переставал покорять как мужчин, так и женщин, даже после смерти ученого. Выражения признательности, изданные после его кончины, изобилуют такими определениями, как «самый оригинальный физик-теоретик нашей эпохи», «исключительно честный по отношению к самому себе и другим», «он не любил ни церемоний, ни роскоши», «в высшей степени неформальный»... Все это делает несомненным то, что Фейнман являлся физиком-ниспровергателем традиций, самым блестящим и влиятельным во второй половине XX века. Он был одним из тех, кто работал над квантовой теорией, он также изобрел диаграммы, которые сегодня носят его имя. Эксцентричный и веселый, наделенный неутолимым любопытством, он, кроме того, являлся блестящим рассказчиком, особенно когда речь шла о его собственной жизни. Способность Фейнмана видеть мир атомов, позволившая ему заново изобрести квантовую теорию, стала одной из фундаментальных в физике.

Многое было написано о Фейнмане, и его имя сопровождалось широкой гаммой прилагательных, от «эгоцентричный» до «милый». Во время его преподавательской деятельности, когда Фейнман входил в кафетерий Калтеха, все, включая его коллег, замолкали на мгновение, так как хотели услышать, что он говорил. Молодые физики имитировали его манеру писать и его манеру «набрасывать» уравнения на доске. Однажды даже случился шутливый спор о том, человек ли он вообще...

Многие завидовали вспышкам вдохновения этого ученого, его непоколебимой вере в простые природные истины, его скептическому отношению ко всему «официальному» и нетерпимости по отношению к посредственности. Две автобиографии Фейнмана (которые он не составлял сам; кстати, ни одна из его многочисленных книг не была написана им самим, на самом деле использовались стенограммы конференций или разговоров) вызывают столько же смеха, сколько и поводов задуматься. Эти два издания представляют собой сборники анекдотов настолько бурлескных, что практически невозможно поверить, будто все они повествуют об одном человеке. После смерти Фейнмана Марри Гелл-Ман, Нобелевский лауреат по физике 1969 года, заявил (чем вызвал огромное недовольство семьи Фейнман): «Он окружил себя множеством мифов и посвятил большую часть своего времени и своей энергии сочинению анекдотов о самом себе». Фейнман стал иконой стиля, бунтарем, не цепляющимся за прошлое, то есть одним из тех героев, которые обычно так популярны в США. Он стал прообразом американской идеологии «человека, который сделал себя сам», для которого небо — это единственный предел. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что этому ученому была посвящена театральная пьеса. Названная «КЭД»_} она показывает историю нескольких дней из жизни Фейнмана в 1986 году, за два года до его смерти. Пьеса была написана по настоятельной просьбе актера Алана Алды, известного прежде всего своей ролью Ястребиного Глаза Пирса в телевизионном сериале M*A*S*H, снимавшемся в 1970-х годах (через 12 лет он представил имевшую успех научно-популярную передачу Scientific American Frontiers, поэтому интерес актера к науке явно не нуждается в доказательствах).

Надо заметить, что наибольшую научную солидарность по отношению к интеллектуальным достижениям Фейнмана выражал Марк Кац, выдающийся польский и американский математик. Последний стал знаменитым в 1966 году, сформулировав свой вопрос в стиле Фейнмана, более того, затронув в нем тему инструмента, который этот физик обожал:

«Можно ли услышать форму барабана?» В статье, опубликованной под этим названием в журнале American Mathematical Monthly, Кац пытался разобраться, возможно ли вывести геометрию барабана исходя из звукового спектра, который он производит. В общем, ответ был отрицательным.

В своей автобиографии Марк Кац пишет:

«В науке, как в любой другой области человеческого труда, существует два типа гениев: «обычные» гении и «чародеи». Обычный гений — это как вы и я, но бесконечно более умный. Манера, в которой работает его мозг, не является таинством. В тот момент, когда мы поняли, что он сделал, мы чувствуем, что смогли бы сделать то же самое. С чародеями все по-другому. [...] Функционирование их разума до конца нам непонятно. У них почти никогда, а возможно и вообще никогда не было учеников, так как их методы невозможно повторить, и должно быть, ужасное чувство неудовлетворенности охватывает молодой блестящий ум, когда он сталкивался с непроходимыми путями разума чародея. Ричард Фейнман [являлся] чародеем высшей категории».

Фейнман не был обычным физиком и не желал им быть. В то время как все его коллеги для своего первого путешествия за границу выбирали Европу, он решил посетить Бразилию. Сильная любовь соединила его с Арлин и Гвинет — двумя из трех жен, которые были в его жизни, но он также довольно часто увлекался и другими женщинами, однако подобные романы не имели серьезного продолжения.

Фейнман очень редко читал статьи, опубликованные его коллегами, так как он предпочитал собственными усилиями приходить к выводам, которые уже сделали другие. Он исповедовал принцип никогда не доверять идее, которую он не извлекал из себя самого. Такова была отличительная черта Фейнмана, опасное свойство, способное привести к многочисленным ошибкам и потерянному времени — но не для него. «Дик мог сделать все, потому что он был блистателен, — заявил однажды по этому поводу другой физик-теоретик. — Он смог бы подняться босиком на Монблан».

Работа этого любопытного «персонажа» (как он сам себя называл в своей автобиографии) крайне абстрактна. Областью его предпочтения была квантовая теория, которая родилась за несколько лет до него. Установить законы, которые управляют субатомным миром, было сложной задачей, требовавшей участия великих умов физики первой половины XX века. Мир элементарных частиц противоречит здравому смыслу, который основан на нашем повседневном опыте, и понимание этого мира все еще ускользает от нас сегодня. Однако познавательные возможности квантовой физики не вызывают никакого сомнения. Мы можем критиковать ее с точки зрения философии, она даже может показаться нам нелепой, принимая во внимание наше восприятие Вселенной (между прочим, это причина, по которой ее отверг Эйнштейн), но мы не можем закрыть глаза на ее научное и технологическое значение.

Квантовая физика требовала развития многочисленных средств для изучения феноменов, которые она намеревалась объяснить. В период первой половины XX века физикам пришлось использовать математические понятия, разработанные в предыдущие десятилетия (причем никто не верил, что они смогут иметь практическое применение) для того, чтобы решать проблемы, которые возникали перед ними. Но этого было недостаточно: необходимо было разработать совершенно новый математический арсенал. Именно в этой области Ричард Фейнман отличился и сделал самый большой вклад. Одной из наиболее острых проблем, на которую физик должен был обратить внимание в 1930-х годах, было появление бесконечных величин в теории, объясняющей взаимодействие между материей и светом. При попытках просчитать, что происходит в тот момент, когда электрон взаимодействует с фотоном, результат получался катастрофический, так как бесконечные величины извращали подсчеты, и никто не знал, как решить этот вопрос. Ученые были настолько обескуражены, что организовали конгресс, целиком посвященный этому вопросу. Фейнман стал одним из трех физиков, взявшихся за его решение, наряду с японцем Синъитиро Томонагой и американцем Джулианом Швингером. Результатом было создание нового варианта квантовой электродинамики, который актуален и поныне. Также актуальны созданные в тот же период известные диаграммы Фейнмана, которые используются практически во всех дисциплинах физики, связанных с микромиром.

Более того, вклад Фейнмана в физику на этом не заканчивается. Невероятная интуиция привела его к решению загадки жидкого гелия, который при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 °С), может перетекать через край сосуда, где он находится: речь идет о явлении сверхтекучести гелия. Фейнман также внес существенный вклад в создание теории слабого взаимодействия, одного из четырех фундаментальных взаимодействий природы, которое несет ответственность за некоторые радиоактивные распады. Наконец, он помог убедить научное сообщество в том, что кварки, частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, открытые его коллегой Марри Гелл-Маном, не являются математической абстракцией, а действительно существуют.

Тем не менее Ричард Фейнман не интересовался только научными исследованиями, его увлекали также популяризация науки и преподавание. Лекции Фейнмана под названием «Что есть наука?» и «Значение науки» остаются источниками вдохновения как для студентов, так и для исследователей. Его лекции по физике собраны в серию книг и продолжают издаваться в течение 50 лет после первой публикации. Они демонстрируют метод Фейнмана, применявшийся им для занятий этой наукой, которая стала его настоящей большой любовью. Его две фразы-талисманы («То, что я не могу создать, я не могу понять» и «Знать, как решить любую решенную проблему») были написаны на доске его аудитории. Физика была страстью Фейнмана, любая физика. Для него наука была в постоянном развитии. Он сравнивал ее с формой облаков: «Когда наблюдаешь за ними, они кажутся застывшими, но через несколько минут ты отдаешь себе отчет, что все поменялось».

Фейнман исследовал уже пройденные пути, но использовал совокупность искусных математических приемов, которые, совмещенные с сильной интуицией ученого, изменяли представления в этой области. Его несколько хаотичный способ работать никогда не следовал канону «аксиома — теорема — доказательство». На самом деле Фейнман предчувствовал результат, а затем проверял его столько раз, сколько это было необходимо, при любых возможных обстоятельствах. Тем не менее он никогда не старался быть оригинальным, скорее его интересовал способ никогда не ошибаться. «Физика всегда меня неотступно преследовала, — объяснял он. — Если идея казалась мне плохой, я это говорил. И если она казалась мне хорошей, я это также говорил».

Одна из самых удивительных способностей Фейнмана заключалась в умении концентрироваться в течение многих часов на одной и той же проблеме, что не могло не волновать его родителей в те времена, когда он был подростком. В тот период Ричард увлекался починкой радиоприемников. Он их разбирал и долго сидел неподвижно, пытаясь понять, в чем причина поломки. Пожалуй, не вызывает удивления возникший среди его соседей слух, что он чинил радио с помощью мысли... Позднее, когда ученый закончил свою докторскую диссертацию, команда Манхэттенского проекта отправила его в Чикаго, где Фейнман решил проблему, на которую они натолкнулись месяц назад. И, надо сказать, самое большое впечатление на коллег произвел не столько его интеллектуальный подвиг, сколько его не соответствующий образу ученого имидж: «Было очевидно, что Фейнман не относится к большинству послевоенной университетской молодежи. Он имел выразительную пластику танцора и манеру очень быстро говорить, которая напоминала нам Бродвей — фразы как у мошенника, ни с чем не сравнимая говорливость и много апломба».

В конце своей жизни Фейнман приобрел широкую известность вне научного сообщества. Произошло это благодаря его работе в 1986 году, за два года до смерти, в комиссии, созданной НАСА для расследования аварии шаттла «Челленджер». Фейнман, будучи тогда больным, решил следовать тому же принципу, который он применял в науке: пользоваться только собственноручно проверенной информацией. Таким образом, вместо того чтобы читать многочисленные страницы отчетов, он принялся опрашивать инженеров и ученых НАСА и ставить эксперименты, казавшиеся ему необходимыми, чтобы обрести полную уверенность в причинах катастрофы. Звездный час для ученого пробил во время одного из публичных заседаний комиссии, в ходе которого он провел маленький эксперимент. Фейнман предположил, что причиной аварии могла быть неисправность кольцеобразных резиновых уплотнителей, используемых для ракетных ускорителей и топливного бака (известных под техническим термином O-ring по причине их характерной формы). Вследствие переохлаждения эти уплотнители потеряли свою эластичность, из-за чего герметичность была нарушена. Горячие газы прожгли корпус правого ускорителя, что привело к разрушению топливного бака и взрыву топлива. На фотографиях, сделанных во время аварии, можно было увидеть пламя, выходящее из зоны, в которой находились уплотнители. Так, перед всеми журналистами и телевизионными камерами Фейнман сжал пассатижами небольшое резиновое кольцо, а затем оставил его на несколько секунд в стеклянном стакане со льдом, чтобы наглядно объяснить свою теорию: из-за низкой температуры ночью перед стартом уплотнители потеряли упругость. В конце своего выступления Фейнман не был уверен в том, что убедил присутствующих, но он недооценил проницательность журналистов. В эту ночь все телеканалы распространили новость: причина аварии очевидна. Фейнман стал героем для всех американцев.

После смерти физика многие отдавали ему должное и выражали свое восхищение им. Но, наверное, лучше всех о нем сказал Джулиан Швингер, крупный послевоенный ученый, с которым Фейнман разделил Нобелевскую премию и который был его главным соперником: «Честный человек с прекрасной интуицией, самая выдающаяся личность нашей эпохи и лучший пример того, чего может добиться тот, кто осмелится следовать за многообразием барабанных ритмов».

1918 11 мая в Фар-Рокуэй, Нью-Йорк, родился Ричард Ф. Фейнман.

1939 Фейнман выигрывает математический конкурс William Lowell Putnam. Получает диплом МТИ.

1941 Брак с Арлин Гринбаум, больной туберкулезом.

1942 Получение предложения работать над Манхэттенским проектом. Докторская диссертация «Принцип наименьшего действия в квантовой механике».

1945 Смерть Арлин. Взрыв первой атомной бомбы и окончание войны. Поступление в Корнелльский университет в качестве преподавателя.

1948 Участие в конференции в Поконо по теме квантовой электродинамики (КЭД). Публикация диаграмм Фейнмана в статье Фримена Дайсона «Теории излучения Томонаги, Швингера и Фейнмана».

1949 Публикация работы «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике», в которой он применяет свои диаграммы для фундаментальных взаимодействий между двумя электронами. Успешная презентация своих идей во время третьей конференции по теме КЭД в Oldstone-on-the-Hudson.

1953 Объясняет сверхтекучесть гелия.

1955 Читает свою знаменитую лекцию «О значении науки» в американской Национальной академии наук (НАН).

1958 Вместе с Марри Гелл-Маном публикует свое объяснение слабого взаимодействия — статью «Теория взаимодействия Ферми» в Physical Review.

1960 Выступает с лекцией, посвященной нанотехнологиям, во время ежегодной встречи Американского физического общества.

1961 Исследования в области биохимии, в частности бактериофага T4D.

1961 Издание лекций по физике, которые

1963 делают Фейнмана знаменитым: «Фейнмановские лекции по физике».

1965 Фейнман становится лауреатом Нобелевской премии по физике наряду с Джулианом Швингером и Синъитиро Томонагой.

1985 Публикует книгу «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» — сборник анекдотов о своей жизни.

1986 Участвует в комиссии по установлению причины аварии космического корабля «Челленджер».

1988 15 февраля — смерть Ричарда Ф. Фейнмана в Лос-Анджелесе, Калифорния, в возрасте 69 лет.