Мигуэль Сабадел - Наука. Величайшие теории: выпуск 6: Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

• Название: Наука. Величайшие теории: выпуск 6: Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика
• Автор: Мигуэль Сабадел
• Издательство: Де Агостини
• Жанр: Научпоп
• Год: 2013
• ISBN: 2409-0069

Ричард Фейнман считается не только одним из самых значительных физиков XX века, но и одной из самых завораживающих и уникальных фигур современной науки. Этот ученый внес огромный вклад в изучение квантовой электродинамики - основной области физики, исследующей взаимодействие излучения с веществом, а также электромагнитные взаимодействия заряженных частиц. Кроме того, он широко известен как преподаватель и популяризатор науки. Яркая личность Фейнмана и его сокрушительные суждения вызывали как восхищение, так и враждебность, но несомненно одно: современная физика не была бы такой, какой она является сегодня, без участия этого удивительного человека.

Прим. OCR: Врезки текста выделены жирным шрифтом. Символ "корень квадратный" заменен в тексте SQRT().

---

Когда семинар закончился, Дайсону пришлось возвращаться в Корнелл на автобусе с несколькими пересадками. Он воспользовался этим долгим переездом, чтобы поразмышлять над работами Томонаги и Швингера, а также Фейнмана. Дайсон удивлялся, что группе японских физиков, работающей в основном изолированно, удалось достичь таких прекрасных результатов: «Томонага объяснил свои идеи простыми и четкими словами — так, что все смогли его понять, в отличие от Швингера». Кроме того, он понял, что мог переписать уравнения Швингера, включив в них математические объекты, которые Фейнман назвал «операторами порядка временных рядов». Во время остановки в Чикаго Дайсону удалось вывести всю теорию Фейнмана исходя из теории Швингера. Вернувшись домой, Дайсон принялся за дело и в течение последних дней лета 1948 года трудился с таким уровнем концентрации, что, по его собственным словам, у него не было никакой жизни, кроме работы. В итоге физику удалось найти математическую основу для подходов Фейнмана и Швингера. В октябре, до того как Фейнман закончил свою большую статью о КЭД, Дайсон отправил в журнал Physical Review статью под названием «Теории излучения Томонаги, Швингера и Фейнмана». Он начал делать наброски уравнения Томонаги — Швингера, которое, прежде всего, соответствовало бы уравнению Шрёдингера с учетом времени. Дайсон также отмечал, что основной принцип теории Фейнмана — «сохранить симметрию между прошлым и будущим». Благодаря этому ему удалось доказать возможность избежать самых неприятных элементов в расчетах Швингера, что делало эти серии возмущений более простыми в употреблении. Кроме этого, речь шла о том, чтобы сконцентрироваться на матрице S, математическом объекте, содержащем совокупность вероятностей, связанных со всеми различными траекториями между начальным и конечным состоянием. Дайсон доказал, что каждое из этих значений могло быть представлено с помощью диаграмм Фейнмана. Более того, он утверждал, что эти диаграммы должны рассматриваться не только как помощь в расчетах, но и «как графическое изображение физических процессов при составлении матрицы».

Результатом стало решение более надежное, чем у Фейнмана, и более понятное и полезное, чем у Швингера. Дайсон представил сообществу физиков-теоретиков математическое обоснование того, почему следовало предпочесть теорию Фейнмана скучной математической виртуозности вундеркинда Гарварда. К тому же он доказал, что КЭД была перенормирована тогда, когда бесконечные величины оказались под контролем благодаря методам, созданным Фейнманом. Любопытно то, что статья Дайсона включала лишь одну диаграмму пространство-время. Поскольку статьи Фейнмана еще не вышли в свет, может показаться парадоксальным, что первая из этих знаменитых диаграмм была опубликована в научном журнале... Дайсоном.

Мир родился в условиях, более упорядоченных в прошлом, чем в настоящем.

Ричард Фейнман

В действительности у Фейнмана и Дайсона не было одинакового понимания того, что означали эти диаграммы. Первый, возможно под влиянием уравнения интеграла по траекториям и благодаря изучению взаимодействий между частицами без вмешательства квантовых полей, представлял себе диаграммы в качестве реальных изображений физических процессов, в которых электроны могли перемещаться с одной стороны в другую и вперед-назад во времени. Работа Дайсона все это изменила. Он показал, как диаграммы могут быть выведены из совокупности основных уравнений квантовой теории поля.

Согласно Дайсону, каждая часть каждой диаграммы представляла величину в серии уравнений. Они были порождены разумом, обладающим необыкновенной интуицией, но они могли быть подтверждены посредством серии сложных преобразований уравнений квантовой механики и теории относительности.

Самое удивительное во всем этом, что Фейнман не отдавал себе отчет о том, какую драгоценность он держал в своих руках, до января 1949 года, когда была проведена конференция Американского физического общества. Там физик по имени Мюррей Слотник сделал сообщение о своей работе и был просто уничтожен Оппенгеймером, который встал и сообщил мелодраматическим тоном ассамблее, что расчеты должны быть ошибочными, так как они «противоречат теореме Кейза». На это Слотник не мог ничего ответить... и никто другой в зале тоже, так как Оппенгеймер ссылался на работу Кеннета Кейза, даже не публиковавшего свою теорему. Оппенгеймер заявил, что Кейз выступит на следующий день.

Фейнман вернулся в отель и углубился в расчеты, чтобы проверить, точно ли Слотник ошибся. На следующее утро он отправился на его поиски, чтобы сказать ему, что он был прав, а Оппенгеймер заблуждался... Слотник не мог поверить: он посвятил данной проблеме два года, из которых шесть месяцев заняли сложные расчеты, а Фейнман сделал это лишь за полдня! Мощь его метода была очевидной! Позже Дайсон писал в своих мемуарах: «Расчеты, которые я провел для Ханса Бете (по поводу лэмбсовского сдвига), используя ортодоксальную теорию, потребовали несколько месяцев и сотни страниц. Дик пришел к тому же заключению на одной доске за полчаса».

Слотник и Фейнман заняли места среди присутствующих, чтобы прослушать выступление Кейза. Когда он закончил, Фейнман поднялся и заявил, что подтверждает результат Слотника. Теорема Кейза больше никогда и никем не была использована.

Тогда Фейнман осознал, что создал что-то очень мощное. Сильный в своей вере, свойственной тому, кто прав, он вместе с Дайсоном присутствовал на третьем и последнем заседании конференции, которая прошла в местечке Олдстоун- на-Гудзоне, в 65 км на север от Нью-Йорка. С 11 по 14 апреля 1949 года Фейнман сам излагал свои идеи. Наконец-то их слушали. Так был открыт путь новому способу изучения физики.

Глава 4 Новый старт, новые препятствия:сверхтекучесть

После триумфа, который вызвали диаграммы ученого, Фейнман чувствует, что должен поменять обстановку — как в личном, так и в профессиональном плане. Перед тем как снова приступить к преподаванию, но уже в Калтехе (в этом университете он будет работать до самого конца), исследователь решает провести годичный отпуск в Бразилии. Наряду с этим он прекращает работу с частицами ради того, чтобы заниматься физикой конденсированных сред, в частности проблематикой сверхтекучести гелия.

Американские ученые, в том числе физики, свои первые выезды за границу обычно совершали в европейские города. Однако Фейнман не намеревался следовать примеру своих коллег.

Его взор был обращен к Южной Америке. Летом 1949 года Фейнман принял предложение провести несколько недель в бразильском Центре физических исследований, не так давно открытом в Рио-де-Жанейро. За несколько месяцев до этого путешествия он поверхностно изучил португальский, чтобы иметь возможность преподавать физику и флиртовать с женщинами Копакабаны. Улицы Рио очаровали его своей свободной атмосферой, чуждой академической строгости и очень благоприятной для занятий искусством, в частности музыкой. В дальнейшем Фейнман будет предпочитать поездки в Южную Америку и Азию любым другим направлениям.

Обаяние улиц и пляжей Рио побудило его следующей зимой попросить Центр принять его на работу на постоянной основе, несмотря на то что он вел переговоры с Робертом Бэчером, его давним коллегой из Лос-Аламоса, желая также быть принятым в Калифорнийский технологический институт (Калтех). Фейнман признался, что устал от Корнелла, «от суеты маленького городка и плохой погоды». Кроме этого, он поведал Бэчеру, что предпочитает не брать студентов из докторантуры.

Но Бэчер убедил Фейнмана переехать в Пасадену и при этом дал ему годовой отпуск в Рио, с августа 1951 по июнь 1952 года.

В Бразилии Фейнман жил в номере отеля Miramar de Copacabana, где он занимался расчетами энергетических уровней легких атомов (водород, гелий, литий и так далее). Проживая в стране, в которой 15 лет назад не было никакой физики (впрочем, как и в какой-либо другой стране Южной Америки), Фейнман должен был оставаться на связи с Соединенными Штатами Америки, чтобы получать необходимые экспериментальные данные. В эпоху, когда еще не существовало интернета, он мог общаться с радиационной лабораторией Калтеха, субсидируемой из прибыли одной известной фирмы, только один раз в неделю, при помощи бразильского радиолюбителя. Тем не менее здесь, в Бразилии, Фейнман потерял своего гения, как он сам это называл:

«Я много работал и получил приемлемые результаты... Но я пришел к выводу, что параметры, которые нужно учитывать, настолько многочисленны, что я не могу гарантировать полезности моей работы. Я стремился к глубокому пониманию ядра, но никогда не был полностью убежден в важности этого».

В действительности это означало только то, что он недостаточно много работал.