Текст книги "Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)
Осенью 1938 года, когда до получения диплома оставалось совсем немного, отец Фейнмана приехал в МТИ, чтобы встретиться с Морсом и узнать у него, был ли его сын достаточно прилежным. Преподаватель ответил однозначно: Фейнман был самым блестящим студентом, которого он когда-либо знал. Мелвилл мечтал видеть сына ученым еще со времени беременности своей жены, и вот, наконец, его заветное желание становилось реальностью. Но Фейнман еще должен был выбрать, чем он будет заниматься после учебы. Он хотел остаться в МТИ, но Джон Слейтер настоял, чтобы Ричард ехал куда-нибудь в другое место, «открывать для себя мир».
Гарвардский университет предложил ему место после математического конкурса William Powell Putnam, самого престижного испытания для университетских студентов. Никто не мог решить все конкурсные задачи, а значительный процент учащихся не мог справиться даже с одной. В 1939 году разрыв между результатами Фейнмана и других участников был настолько велик, что он удивил даже членов жюри. Тогда, не колеблясь, они предложили ему место в Гарварде, однако он отклонил предложение, так как его интересовал Принстон. Почему? Наверное, потому что в Принстоне, в Институте перспективных исследований, преподавал Эйнштейн; возможно, также и потому что многие статьи по физике, которые он читал в библиотеке, были написаны в университете Принстона.
Глава 2
От Принстона до атомной бомбы
В этот период Ричард Фейнман находится на пике своих способностей, готовый с помощью своих идей произвести революционный переворот в физике. При поддержке своего научного руководителя Джона Уилера, наделенного большим творческим потенциалом, он вскоре внесет колоссальный вклад в квантовую теорию. Но война ставит работу Фейнмана в тупик, так как она ослабляет его способность «чувствовать» сущность уравнений – талант, который за всю историю человечества выпал на долю лишь немногих избранных.
Фейнман прибыл в Принстон осенью 1939 года, намереваясь получить докторскую степень. Он был убежден, что будет работать с одним из великих специалистов по квантовой теории – Юджином Вигнером. Этот венгерский физик и математик, будущий лауреат Нобелевской премии, активно интересовался политикой. Особенно его всегда беспокоила воинственная позиция Гитлера. Тревогу Вигнера, кстати, разделял его соотечественник и коллега Лео Силард, известный своим даром предсказывать политические события. Ходят слухи, что в 1934 году он в деталях предсказал события, вызвавшие вскоре Вторую мировую войну. Встревоженный немецкой экспансией, Силард попросил Вигнера познакомить его с Альбертом Эйнштейном. На эту встречу, которая состоялась 2 августа 1939 года, Силард принес черновик письма, в котором настойчиво просил президента Франклина Д. Рузвельта запустить программу исследований с целью создания атомной бомбы. С помощью Вигнера и еще одного ученого, Эдварда Теллера, ему удалось убедить Эйнштейна. В этот же день гениальный физик подписал знаменитое письмо.
Такова была ситуация на тот момент, когда Фейнман прибыл в Принстон. Вопреки его ожиданиям, вместо Вигнера ему назначили другого руководителя, 28-летнего профессора, приехавшего в университет за год до него: Джона Арчибальда Уилера.
Первые шаги к атомной бомбе
Американский физик венгерского происхождения Лео Силард (1898-1964) стал первым ученым, серьезно задумавшимся над созданием атомной бомбы. Эта идея пришла к нему после того, какой прочитал научно-фантастический роман Герберта Уэллса «Освобожденный мир». В 1933 году, стремясь избежать нацистского преследования, он приехал в Лондон, где в The Times ему попался отчет об одной конференции, организованной Эрнестом Резерфордом, во время которой тот отрицал возможность использования атомной энергии. Силард был уверен, что Резерфорд ошибается.
Он чувствовал, что однажды станет возможно использовать энергию, скрытую в атоме, с помощью управляемой цепной реакции (процесса деления ядер, который, будучи однажды запущенным, начинает поддерживать сам себя).
Во время своей первой попытки управлять цепной ядерной реакцией Силард использует бериллий и индий, но безуспешно (цепная реакция не началась). В1936 году, чтобы сохранить свою работу в секрете, он уступает патент на реакцию британскому адмиралтейству. Затем, в 1938 году, он принимает предложение Колумбийского университета продолжить свои исследования по данной теме и переехать жить в Нью-Йорк. Уже там он знакомится с итальянским физиком Энрико Ферми.
Эта встреча произошла в то время, когда немцы Ган и Штрассман объявили о первом удачном расщеплении атома. В1939 году Ферми и Силард доказали возможность развития в уране самоподдерживающейся ядерной реакции. После этого Силард сказал: «Этой ночью я убедился, что миру вскоре предстоит пережить свои самые ужасные времена».
Лео Силард, возможно первый ученый, который всерьез поднял тему создания атомной бомбы.
Как и в случае с Вигнером, Принстон предложил ему работу, чтобы начать программу по ядерной физике. Обладатель незаурядного ума, он стал наставником целого поколения физиков, которые внесли огромный вклад в космологию и теорию относительности. И, между прочим, термин черная дыра придумал именно он.
В 1939 году Джон Уилер – это молодой сероглазый профессор с внешностью и манерами джентльмена. Фейнман являлся его ассистентом и заменял своего учителя, когда тот отсутствовал, сначала на лекциях по механике, затем – по ядерной физике. Каждую неделю они собирались, чтобы подвести итоги и проанализировать свою исследовательскую работу. Понемногу их отношения наставник-ученик переросли в отношения коллег. В это время физика частиц еще не была популярна. Как доказательство можно привести решение организаторов конгресса физиков-теоретиков, который должен был пройти в Вашингтоне в 1940 году и для которого необходимо было определить тему: поколебавшись между элементарными частицами и внутренним устройством Земли, они окончательно склонились ко второму.
Несмотря на все это Фейнман знал, что он интересуется очень перспективной областью. Читая книгу Дирака по квантовой механике, он был поражен охватившим его чувством: слишком многое оставалось неизведанным, требовались новые идеи. Дирак и другие пионеры квантовой электродинамики (отрасль науки, которая изучает связь между электричеством, магнетизмом, светом и материей) не могли дать ответы на все вопросы, и теория оставалась неполной. Вскоре Фейнман тоже отправится в путешествие по этому пути.
Неоконченное путешествие
Квантовая теория достигла своего расцвета в 1924-1927 годах, но ей предстоял еще очень долгий путь. Ученые еще не слишком хорошо представляли себе, как использовать принцип неопределенности Гейзенберга или волны материи де Бройля. Также было непонятно, как включить теорию относительности Эйнштейна в эту уже частично собранную мозаику.
Институт физиологии в Брюсселе организовал пятый Сольвеевский конгресс (его основная тема называлась «Электроны и фотоны»), открывшийся в понедельник 24 октября 1927 года. Речь идет о самом значимом конгрессе новейшей истории физики: 17 из 29 присутствующих ученых уже получили или получат в скором времени Нобелевскую премию. Название конференции не отражало настоящей цели конгресса: открыть дорогу квантовой физике.
Именно во время этого конгресса Эйнштейн, который не желал отказываться от детерминизма, произнес свою знаменитую фразу: «Бог не играет в кости». На что Бор ответил: «Кто вы такой, Эйнштейн, чтобы говорить Богу, что он должен делать?»
Природа сама не знает, какой путь выберет электрон.
Ричард Фейнман
На этом историческом собрании также присутствовал молодой 25-летний британский физик Поль Адриен Морис Дирак. Бесконечные философские дискуссии по поводу интерпретации квантовой теории его не тронули. Что было и не удивительно: Дирак был образцом неразговорчивого и замкнутого английского студента. Молчаливый и несловоохотливый (его друзья даже придумали «дирак» – единицу минимума слов, которые могут быть произнесены в разговоре), он работал все дни в одиночестве, кроме воскресенья, когда он выходил на прогулку... один. В 1926 году ему удалось объединить в одном уравнении волновую механику Шрёдингера и матричную механику Гейзенберга, но ему хотелось добиться чего-то большего. Дирак испытывал такое увлечение теорией относительности Эйнштейна, что поставил себе новую задачу: получить релятивистское уравнение квантовой механики. Он безуспешно посвятил два года данному исследованию. Во время Сольвеевского конгресса молодой ученый поделился своими намерениями с Бором. Тот сообщил ему, что Клейн уже опередил его. Дирак знал, что это не так, но у него не было возможности объяснить это Бору, поскольку конференция, в которой они принимали участие, началась.
Однако разговор с Бором убедил Дирака в необходимости ускорить работу. Надо сказать, что он был в большей степени математиком, нежели физиком, и поэтому подошел к вопросу как к математической задаче, а физическую интерпретацию оставил на потом. Проблема состояла в следующем: в теории относительности время входит в уравнения на тех же основаниях, что и три измерения (х, у, z; то есть длина, высота и ширина), и таким образом является четвертым измерением. Шрёдингер же не рассматривает время как одно из измерений, поэтому его уравнение не является релятивистским. Уравнение Клейна – Гордона устраняло это противоречие, но оно не было способно объяснить спектр атома водорода. К тому же оно не учитывало новую характеристику электрона, предложенную Вольфгангом Паули (который уже в 18 лет был признанным специалистом по теории относительности), чтобы объяснить результаты, полученные экспериментальным путем Отто Штерном и Вальтером Герлахом в 1922 году: спин (см. рисунок). Чтобы сделать данное понятие более наглядным, можно представить электрон маленькой сферой, которая вращается вокруг себя подобно планетам: это вращение и понимают под спином. Но на этом вся аналогия и заканчивается, так как если оборот одной планеты может иметь любое значение, то спин электрона может принимать всего два: +½ и -½.
Очень часто (и неправильно) спин определяют как направление вращения субатомной частицы. На самом деле речь идет об исключительно квантовом понятии, не имеющем классических аналогов.
Благодаря творческому подходу к математике Дирак разработал уравнение, объединявшее две великие теории начала XX века. Это действительно был подвиг, концептуальный триумф. Включив четырехмерное пространство-время в квантовую теорию, он получил четвертую степень свободы электрона, которую определил как спин. Каким бы ни был спин, он ни в коем случае не означал вращения электрона. Речь шла исключительно о квантовом понятии, не связанном с классической физикой. Таким образом, спин был и остается внутренним свойством электрона, полностью отличным от других, таких, например, как орбитальный момент, который описывает перемещение электрона вокруг атомного ядра. Интерпретация спина остается неясной и в наши дни, но мы знаем, что при наличии магнитного поля он может иметь два направления: вверх и вниз. Эта особенность электрона позволяет, например, использовать магнитно-резонансную томографию в больницах.
Уравнение Дирака распространилось словно лесной пожар и получило широкое признание. Тем не менее существовала одна проблема: два состояния электрона с различной ориентацией спина, полученные Дираком, представляли только половину решения. Существовали два других состояния, которые характеризовались загадочной отрицательной энергией. Эти два «дополнительных» решения означали, что электрон мог перейти из своего нормального состояния с положительной энергией и отрицательным зарядом в состояние с отрицательной энергией и положительным зарядом. Экспериментально такой переход никем не наблюдался, что ставило под сомнение обоснованность уравнения Дирака. Бор писал в 1928 году: «Дирак был здесь (в Лейпциге, в июне 1928 года) и произнес хорошую речь о своей гениальной теории. Однако он знает не больше, чем мы, как решить задачу + е – е».
Дирак бился над этой проблемой в течение двух лет и, наконец, в декабре 1929 года нашел решение. Он предположил, что отрицательные уровни энергии заполнены морем ненаблюдаемых электронов. Они ни с чем не взаимодействуют: они находятся за декорациями театра, перед которыми играют актеры. Актеры и представляют мир положительной энергии, которую можно измерить. Но бывает, что один из электронов, которые живут в этом море, при приложении внешней энергии «выпрыгивает», оставляя за собой «дырку». Дирак считал, что эта «дырка» будет принимать вид протона. «Выпрыгнувший» же электрон станет обычным наблюдаемым электроном. Однако коллеги напомнили Дираку, что электрон имеет массу в 2000 раз меньше, чем протон, и значит, невозможно, чтобы, выпрыгивая из моря отрицательной энергии, он оставил за собой пустоту в 2000 раз тяжелее, чем он сам. Дирак признал свою ошибку и в 1931 году согласился, что «дыра» должна иметь такую же массу, как и электрон, но с положительным электрическим зарядом: «[Мы столкнулись лицом к лицу] с новой частицей, неизвестной физике, которая имеет такую же массу, как и электрон, но с противоположным зарядом».
«Море Дирака», которое объясняет существование антиматерии.
В 1932 году американский физик Карл Дейвид Андерсон обнаружил эту загадочную частицу: позитрон, античастица электрона. Данное открытие подтвердило правоту уравнения Дирака и одного из великих предсказаний релятивистской квантовой механики.
Тем не менее уравнение Дирака не давало полного объединения теории относительности и квантовой теории, так как оно не описывало ни того, что происходит во время столкновения между электроном и фотоном, ни того, что происходит в процессе аннигиляции, когда позитрон сталкивается с электроном, выделяя два или три фотона с очень большой энергией. Но чтобы понять суть этих проблем, нам необходимо переместиться во времени и вернуться в середину XIX века, чтобы познакомиться с одним из лучших физиков-экспериментаторов истории, британцем Майклом Фарадеем (1791-1867).
Поле, заполняющее пространство
Сын малообеспеченного человека, Фарадей получал образование самостоятельно, благодаря книгам, которые попадались ему в течение тех семи лет, что он был учеником переплетчика. Его открытия были впечатляющими: он установил различные связи между электричеством и магнетизмом, заложил основы электрохимии, изобрел электродвигатель и динамо... И все это Фарадей сделал, будучи «математически невежественным»: он не использовал уравнений и формул, чтобы описать свои открытия, он излагал их обычным «уличным» языком. Но главным теоретическим достижением Фарадея было создание понятия поля. В то время никто не мог объяснить, почему яблоко падает с дерева или почему Земля вращается вокруг Солнца. Ньютон открыл закон тяготения, но не объяснил, почему он работает. Все это выглядело, как если бы Солнце порождало загадочную силу на планетах, на большом расстоянии и практически мгновенно. Из-за своей абсурдности такое объяснение не нашло общей поддержки. Но закон тяготения работал, и так хорошо, что ученые отложили в долгий ящик теоретические проблемы, которые он поднимал... до того времени, когда Фарадей завел речь о полях.
Мы не отдаем себе в этом отчет, но пространство, которое нас окружает, содержит не только материю. Например, если бы мы освободили комнату от всей находящейся в ней материи до последней пылинки и до последней молекулы воздуха, мы все равно не могли бы утверждать, что в ней совсем ничего нет.
Железные опилки и магниты
То, что мы обычно называем силой (какой бы она ни была, гравитационной, электрической или магнитной), является не чем иным, как действием, которое оказывает поле на помещенное в него тело. Что еще более важно: материя обладает свойствами (мы уже открыли два – массу и заряд), которые делают ее чувствительной к различным полям. Если материя лишена одного из них (например, если электрический заряд равен нулю), соответствующее поле не оказывает на нее никакого действия, как если бы его вовсе не было. Фарадей выявил существование этих полей посредством опыта, который мы часто проводим в школах. Итак, положим железные опилки на листок бумаги и поместим снизу магнит. Опилки начнут перемещаться, образуя характерный узор, соответствующий силовым линиям магнитного поля. Если мы уберем магнит и немного потрясем бумагу, образовавшийся узор исчезнет. Это означает, что магнитное поле, появившееся благодаря магниту, изменяет свойства пространства.
Если разместить железные опилки около магнита, они соберутся вокруг него особым образом, демонстрируя наличие магнитного поля в этой области пространства.
Самое наглядное доказательство этому: если мы поместим туда грушу, она упадет на пол. Следовательно, «что-то» в комнате заставляет ее упасть. И не важно, с какой стороны мы ее кинем: груша упадет прямо на пол. Даже пустая, комната наполнена тем, что мы называем гравитацией. Другими словами, наша комната находится в гравитационном поле. Как объяснить его присутствие? По всей очевидности, источником этого поля является наша планета.
Но это не единственный довод: если мы запустим по прямой линии электрически заряженную частицу, например электрон, и внимательно проанализируем ее траекторию, тогда четко увидим, что, как и в случае с грушей, «что-то» изменяет ее путь, но это не гравитация. Исследовав данное явление, мы поймем, что это «что-то» имеет влияние только на частицы, обладающие зарядом, и не затрагивает нейтральные частицы. Таким образом, мы обнаружили существование другого поля, электромагнитного. Откуда берется это поле? Оно представляет собой совокупность разных полей: электромагнитного поля Земли, электромагнитных полей, создаваемых антеннами мобильной связи, телевизорами и радио, линиями электропередач, кухонными электроприборами и так далее.
Очень слабый свет подразумевает лишь малое количество фотонов. Но увидеть электроны означает изменить их.
Ричард Фейнман
Вернемся к Дираку. Его уравнение описывает поведение электрона в движении в классическом электромагнитном поле. В классической физике поля постоянны. Для полного понимания того, что происходит в микромире, необходимо было осуществить квантование электромагнитного поля.
Так же как электромагнитное излучение состоит из фотонов, электромагнитное поле можно представить состоящим из «кусочков». Дирак создал метод «вторичного квантования» и таким образом заложил основу квантовой электродинамики. В 1927 году ученый применил этот способ к электромагнитному полю и обнаружил, что оно превратилось в море частиц. Таким образом, с одной стороны, мы имеем частицы материи, а с другой – частицы поля, которые позволяют осуществлять электромагнитное воздействие одной частицы материи на другую. Фактически они действуют как посланники, которые несут информацию об электромагнитном взаимодействии. Когда электроны отталкиваются, квантовая электродинамика предполагает, что частица-посредник служит для осуществления взаимодействия между ними. Электрическое отталкивание электронов есть не что иное, как обмен между частицами. Можно сравнить электроны с двумя конькобежцами, которые перебрасываются тяжелым мячом.
Сообщая мячу импульс при броске и получая импульс с принятым мячом, они отталкиваются друг от друга. Механизм отталкивания электронов работает похожим образом.
Если конькобежцы являются электронами, тогда кто играет роль мяча? Фотон (в любом случае мы знаем, что фотоны не имеют массы) – частица-посредник во время электромагнитного взаимодействия. Согласно квантовой электродинамике, электромагнитное поле – это бесконечная совокупность фотонов, каждый из которых ведет себя как гармонический осциллятор. Как в случае с морем Дирака, фотоны распределяются по всему пространству, но остаются невидимыми нашему глазу или какому-либо другому детектору. Они носят название виртуальных фотонов (см. рисунок). Мы можем познакомиться с их существованием только опосредованно, благодаря эффекту, во время которого они вызывают взаимодействие двух заряженных частиц между собой.
Согласно квантовой электродинамике, электростатическое отталкивание между двумя электронами связано с их обменом виртуальными фотонами.
Проблемы электрона
Никогда такая маленькая частица не приносила столько хлопот. Электрон создавал проблемы даже в относительно спокойном мире классической физики. Мы знаем, что речь идет о заряженной частице, но есть ли у нее размер? Если мы будем рассматривать ее как маленький шарик, то как объяснить, что он не разрушается из-за отталкивания между его составными частями? Не сумев ответить на данный вопрос, мы могли бы заявить, что электрон является не шариком, а безразмерной точкой. Увы, это тоже не решение, потому что вместе с безразмерностью в уравнениях об электромагнетизме появляется деление на ноль: в игру вступает бесконечность – верный знак присутствия ошибки в теории. Проблема энергии электрона после его воздействия на себя являлась головоломкой.
В 1929 году Гейзенберг и Паули, изучавшие проблему собственной энергии электрона с квантовой точки зрения, получили первые результаты, из которых следовало: энергия электрона бесконечна. Это объясняется тем фактом, что в квантовой электродинамике электрон не является просто частицей, а сопровождается облаком виртуальных фотонов. Речь идет о выпущенных фотонах, которые затем поглощаются этим же электроном, и так до тех пор, пока они не будут обнаружены наблюдателем. Принцип неопределенности Гейзенберга позволяет электрону испускать фотоны, обладающие сколь угодно большой энергией...
Стало быть, существует теория, позволяющая детально рассчитать собственную энергию электрона при его взаимодействии со своим полем, но когда мы ее применяем, внезапно со всех сторон возникают бесконечные величины. Израсходовав все свои возможности, физики больше не знали, что делать. Блистательный Гейзенберг должен был признать себя побежденным: он оставил эту тему и посвятил себя изучению сегнетоэлектричества.
Фейнман изучал этот вопрос с разных сторон еще в то время, когда был студентом МТИ. Осенью 1940 года он возобновил свои попытки и спросил себя: почему бы не исключить эти бесконечные величины, предположив, что электрон не взаимодействует со своим собственным полем? Он даже выдвинул еще более дерзкую идею: а что если явление, которое мы называем электромагнитным полем и которое возникло в результате обмена виртуальными фотонами, было фикцией? Не мог ли электромагнетизм быть простым взаимодействием между заряженными частицами, не требующим для своего существования никакого поля? Как он заявил впоследствии в своей нобелевской речи:
«Мне казалось очевидным, что идея частицы, которая воздействует сама на себя, не является необходимой; это было даже глупо. Именно тогда я подумал, что электроны не могут взаимодействовать сами с собой, а только с другими электронами. Это означало, что не существует никакого поля. Речь идет о прямом взаимодействии между зарядами, правда, с известными оговорками».
Такие идеи были очень рискованными, но именно по этой причине они не оставили равнодушным Уилера. Если речь шла об исследовании новых горизонтов, трудно представить лучшего тандема, чем Фейнман и Уилер. Они были из тех, кто не боится рисковать.
Плевать на мины. Полный вперед!
Заявление Фейнмана, которое перекликается с фразой американского адмирала Дэвида Фаррагута, произнесенной во время Гражданской войны в США
Фейнман знал, что у его идеи был существенный изьян: сопротивление излучения. Когда заряженная частица ускоряется, она испускает излучение и теряет энергию. Поэтому модель атома Резерфорда была непонятной с точки зрения Классической физики: электрон, вращаясь вокруг атома, обладает центростремительным ускорением. Именно сопротивление излучения заставило Бора ввести понятие квантовой орбиты.
Чтобы электрон начал двигаться, на него должна действовать сила. И сила, действующая на заряженный электрон, должна отличаться от той, которая действует на незаряженный.
Эта сила была названа сопротивлением излучения, и согласно принятым взглядам, она создавалась электроном, взаимодействующим с самим собой. Гипотеза же Фейнмана утверждала, что электрон действует только на другие электроны. Но если бы существовал единственный электрон в мире, испускал бы он излучение? А если бы существование сопротивления излучения требовало присутствия какой-то другой частицы? Фейнман заинтересовался этим вопросом, представив, что в мире существует только два электрона. Предположим, что первый начинает двигаться: в таком случае, согласно законам электромагнетизма, он оказывает воздействие на второй, что заставляет его тоже двигаться и в результате оказывать воздействие на первый. Могло бы это предположение объяснить сопротивление излучения?
Эта гипотеза очаровала Уилера, но он быстро обнаружил важное обстоятельство: эффект зависит от расстояния до другого электрона и от его заряда, чего быть не должно. К тому же Фейнман не учел обязательную задержку во времени – воздействие на первый электрон произойдет через какой-то временной интервал, так как, согласно теории относительности, ничто не движется быстрее, чем свет. И тогда Уилер предложил еще более сумасшедшую идею: а что если электромагнитная сила, оказываемая второй частицей, действует вспять во времени? Такое предложение походило больше на научную фантастику, чем на физику, но важным в этом подходе является то, что законы электромагнетизма позволяют существовать как волнам, выпущенным до того, как они будут поглощены (опоздание волны), так и волнам, поглощенным до того, как они будут выпущены (опережение волны). Иными словами, ничто в уравнениях не противоречило этому предположению. Единственное возражение носило философский характер: необходимо было считаться с принципом причинности, согласно которому причина должна предшествовать последствию. Например, поезд должен покинуть вокзал, с которого он отправляется, до того, как он прибудет на конечную станцию, или мяч должен попасть в цель после того, как игрок по нему ударит, а не наоборот. Но согласно предложению Уилера, если мы перемещаем заряд, другой заряд начнет двигаться немного раньше.
В этом-то и заключена одна из самых странных загадок физики. Законы механики и электромагнетизма симметричны на временной оси: если временной указатель неожиданно меняется, законы остаются неизменными. Эта временная инвариантность фундаментальных законов классической физики не имеет аналога в реальном мире, где мы способны различать прошлое и будущее. Но тогда возможно ли, чтобы электрон испустил свое излучение как в будущее (опоздание волн), так и в прошлое (опережение волн), как маяк, который светит в двух противоположных направлениях? Заинтригованные таким предположением, двое ученых начали на доске в аудитории Уилера расчет. В конце первого часа работы они не нашли ничего, что могло бы этому помешать.
Фейнман много работал, принимая во внимание, что подход Уилера требовал огромного количества очень сложных расчетов. Понемногу новая модель принимала свою форму. Речь шла уже не о двух электронах, а о системе, включающей электрон и множество других частиц вокруг: «Все прошло без сложностей, все складывалось в совершенстве». То, что они только что создали, было не квантовой, а классической теорией, которую они назвали «теорией полуопережающих и полузапаздывающих потенциалов». Следующий этап напрашивался сам собой:
«Мы рассчитывали, что избавившись от трудностей сначала в классической физике и сделав затем из этого квантовую теорию, мы могли бы и ее привести в порядок».
К сожалению, эта квантовая теория полуопережающих и полузапаздывающих потенциалов так и не увидела свет: ни один, ни второй не смогли ее разработать. Десятью годами позже Фейнман напишет Уилеру: «Я думаю, что мы ошиблись в 1941 году. Ты согласен?» Но ответил ли ему на этот вопрос его наставник и друг, так и осталось неизвестным.
Диссертация и жена
Если и был человек, который оказал колоссальное влияние на жизнь Ричарда Фейнмана, так это Арлин Гринбаум. Он влюбился в нее еще подростком. Арлин была одаренной девушкой: она играла на пианино, пела, рисовала и могла вести интересные беседы об искусстве и литературе. Фейнман, напротив, не интересовался искусством, и любой жанр музыки его раздражал, несмотря на неоспоримое чувство ритма: в МТИ его неосознанное и непрерывное желание барабанить на всех возможных и воображаемых поверхностях действовало на нервы его соседям по комнате.
В Принстоне отношения двух влюбленных обрели зрелость и глубину Арлин изучила Ричарда «от и до» и имела редкую способность вызывать в нем стыд: например, она знала о его тщеславии и была безжалостна, когда чувствовала, что он обеспокоен мнением других. «Какое тебе дело до того, что думают о тебе другие?» – не переставала она ему повторять. Как при такой поддержке Фейнману было не похвастаться своей честностью и независимостью? По мере того как Ричард продвигался в своей работе, они все чаще навещали друг друга. Письма, которые молодые люди отправляли друг другу, ясно говорили об их чувствах, об их наивной вере в будущее и об их желании быть вместе, какие бы обстоятельства ни случились в жизни. Но одно из этих писем, от 3 июня 1941 года, показывает, что в жизни Арлин наступали трудные времена. У нее на шее появилась опухоль, сопровождавшаяся необъяснимой лихорадкой:
«Завтра доктор Тревес сообщит мне новости... Я приму все, что он мне скажет, но Нэн мне написала, что есть возможность проконсультироваться у другого доктора для подтверждения диагноза, а также следует показать ему результаты биопсии».
В это время Фейнман и Уилер упорно работали над квантовой формулировкой своей теории. Главной проблемой было то, что математические уравнения этой «экзотической» теории плохо адаптировались для квантовой механики. Сложность заключалась во взаимодействии между частицами в различные моменты времени: «Характер траектории одной частицы в данный момент времени зависит от характера траектории другой частицы в совершенно другой момент времени». В квантовой механике время очень хорошо контролируется: если мы знаем состояние системы в определенный момент времени, то уравнения позволяют определить состояние системы в любой другой момент. Но электродинамика Фейнмана и Уилера требовала данных о расположениях и перемещениях многочисленных частиц в несколько различных моментов, и все это для того, чтобы определить состояние одной частицы. Настоящая головоломка!
