Текст книги "Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 9 страниц)
Точное предсказание
В декабре 1959 года Фейнман прочитал лекцию по случаю ежегодной встречи Американского физического общества, которая в том году проходила в Калтехе. Как всегда, он всех удивил, предлагая анализ множества новых возможностей, связанных с физикой элементарных частиц. Фейнман начал свое выступление такими словами:
«Я хотел бы вам рассказать об одной области, в которой до сегодняшнего дня сделано было очень мало, но в которой можно, в принципе, достичь больших результатов. Еще важнее то, что эта область могла бы иметь широкий диапазон практического применения. Вопрос, который я хотел бы рассмотреть, касается обработки и контроля объектов очень маленьких размеров».
Компьютер будущего
Будущее информационных технологий связано с созданием квантового компьютера; некоторые из идей, относящихся к его разработке и эксплуатации, уже находят практические применения в настоящее время. Передача информации по квантовым каналам позволяет установить абсолютно надежную систему сообщения. Между 1982 и 1984 годами Чарльз Беннет и Жилль Брассард разработали первую систему квантовой криптографии в мире, ВВ84, сегодня вышедшую из употребления. Квантовая криптография гарантирует безопасность сообщения до такой степени, что перехват информации иностранным агентом в системе не только фиксируется между передатчиками, но «шпион», наряду с этим, не может расшифровать сообщение. На практике уже была осуществлена передача информации с помощью квантового канала через оптическое волокно на дистанцию нескольких десятков километров. И сегодня стоит вопрос о повторении подобного опыта на более длинные расстояния, в частности из земной лаборатории на борт самолета. Эта область быстро прогрессирует: за последние годы уже были созданы процессоры и мышки, основанные на квантовой информатике и оптике. 10 млрд атомов могут быть сейчас объединены в систему, что является необходимым в исчислении. Появилась сверхпроводниковая интегральная схема. А в апреле 2012 года был создан первый базовый квантовый компьютер на два кубита (или квантовых бита).
Его лекция, названная «Там, внизу, еще много места», оказалась отправной точкой для целого ряда областей науки и техники, известных сегодня под общим названием «нанотехнологии». До Фейнмана эксперты не слишком хотели рисковать, когда речь шла о сокращении размеров. Существовал целый мир, заключенный в пространстве между обычными машинами и атомами. Используя это пространство, полагал ученый, мы не только изменим технологию, но и откроем новые области для научных исследований: «В 2000 году, во время подведения итогов, все спрашивали себя, почему до 1960 года никто серьезно не рассматривал движение в этом направлении».
Фейнман смотрел на вещи более широко, как это делали три корифея научной фантастики той эпохи: Артур Кларк, Айзек Азимов и Роберт Хайнлайн. Он не понимал, почему люди восхищались механизмом, способным записать «Отче Наш» на носитель размером с булавочную головку: это ничто. Для него стремиться нужно было к тому, чтобы записать всю Британскую энциклопедию на подобное устройство. И даже это было ничто. Почему не записать на него всю информацию, содержащуюся во всех книгах мира? Сделав любопытный предварительный расчет, Фейнман предположил, что это соответствовало бы 1015 бит информации (либо, по его мнению, 24 млн томов) и что каждый бит легко мог быть закодирован в кубе с ребром из пяти атомов либо, в общей сложности, немногим более чем из ста. Вся информация, собранная человечеством, будет содержаться тогда на «головке булавки». Фейнман делал ставку на тщательное изучение возможностей мира, который содержал материю, состоящую из атомов; для него не было ничего более увлекательного в исследовании, чем проектирование квантовых механизмов. «Ничего в законах физики, – говорил он, – не мешает изучать вещи атом за атомом». И его собственными словами:
«Я не боюсь задавать вопрос о том, смогли бы мы в будущем привести в порядок атомы для нашего удобства: настоящие атомы, те, что находятся внутри. И каковы бы были свойства материалов, если бы мы реально могли располагать атомы так, как нам заблагорассудится? Я не могу предугадать будущее, но не сомневаюсь в том, что если мы будем контролировать расположение микрообъектов, то у нас появится доступ к широкому спектру новых свойств, которые позволят нам многого достигнуть».
Можно было бы, в частности, использовать законы, управляющие квантовым миром, чтобы способствовать радикальному изменению компьютерных технологий. Квантовая информатика обрела популярность, что делало эту утопию все более реальной. В 1981 году Фейнман сам организовал в Калтехе курс по теории расчетов и будущему информатики. Затем он опубликовал несколько статей о квантовых компьютерах. Это становится вызовом для будущих лет, стоящим затраченного труда. Вот пример: факторизация целых чисел (на основе которой устроено шифрование наших кредитных карточек) может занять несколько миллионов лет для обычного компьютера; квантовый компьютер справится с этим за долю секунды.
Но Фейнман на этом не остановился. Он также предчувствовал, что этот путь приведет к новым возможностям в биологии. Только за три года до этого была открыта структура молекулы ДНК:
«В принципе, физик может синтезировать любую молекулу, которую ему нарисует химик. Физик получает инструкции, затем синтезирует молекулу. Но как он это делает? Он располагает атомы в предварительно указанном химиком месте. Именно таким образом мы создаем вещество».
Правда, в этом случае Фейнман заглянул в будущее недостаточно далеко. Начиная с последней четверти XX века на основе данной теории появилась новая область науки: многообещающая синтетическая биология. Этот термин был придуман в 1974 году польским генетиком Вацлавом Шибальским, когда он написал: «До сегодняшнего дня мы работали над описательной фазой молекулярной биологии... Но настоящее преодоление трудностей начнется, когда мы вступим в фазу синтетической биологии. Тогда мы откроем новые элементы управления и присоединим их к существующим геномам или разработаем совсем новые геномы». Эта комбинация биохимии и генетики поднимает два вопроса, которые вот-вот должны быть выяснены: каково минимальное число генов, необходимых для жизни? Возможно ли создать живое существо с нуля?
Что есть наука?
Одна из недостоверных цитат, приписываемых Фейнману, гласит: «Исключение, которое подтверждает правило, – это ложь. Таков принцип науки: если существует исключение в каком– либо правиле и если оно может быть проверено путем наблюдений, тогда это правило ложное». Фейнман был влюблен в науку и придавал большое значение методам ее изложения. Когда ему предложили оценить школьные учебники, используемые в американских школах, он очень экспрессивно выразил свой гнев:
«Все это написано людьми, которые не имеют ни малейшего представления, о чем говорят... Как вы хотите правильно преподавать, используя эти книги, авторы которых не понимают ни единого слова в том, что рассказывают?»
Во время 15-й ежегодной встречи Национальной ассоциации преподавателей естественных наук, созданной в 1966 году, Фейнман прочитал свою знаменитую лекцию, посвященную своим воззрениям на науку. В этот день он противопоставил взгляды Уильяма Гарвея, врача, который детально описал систему кровообращения (обаятельный человек, вспыльчивый и чрезмерно дотошный), взглядам Фрэнсиса Бэкона, лорда– канцлера, отца эмпиризма и центральной фигуры в развитии научного метода:
«Один из великих ученых-экспериментаторов своего времени, который действительно что-то делал, Уильям Гарвей, говорил, что высказывания Бэкона о науке соответствуют той науке, которую практиковал лорд-канцлер. В своих комментариях Бэкон опускает главный фактор, а именно необходимость понять, что нужно наблюдать и на что нужно обратить внимание. Вот это и есть наука, а не то определение, которое ей дают философы».
Фейнман защищал прагматические научные знания, а не описательные. Свою автобиографию он начал с рассказа о своей детской страсти к экспериментам в «лаборатории» – старой упаковочной коробке, которую он оснастил полочками. Он также рассказал о своем таланте к починке сломанных радиоприемников. Его достижения в физике заставляют признать, что на протяжении всей своей жизни Фейнман оставался верным этому способу изучения науки. Его не интересовали знания как таковые. Скорее, по словам писателя Джеймса Глейка, ему был интересен способ их получения: «Как посчитать свет, излученный возбужденным атомом? на что обратить внимание в экспериментальных данных? как сделать предположение? как создать новые инструменты, адаптированные для новых элементарных частиц, которые стали известны физикам?»
Ложное понятие о науке
В нашем обществе существует неправильное восприятие науки. Для большинства из нас это просто черный ящик, из которого мы черпаем решения технических или медицинских проблем. Многие не понимают, что наука – не только источник знаний, но в первую очередь – способ мыслить. Это представление мы потеряли, возможно, по причине технического прогресса. Вот почему нередко можно услышать: «Наука не может все объяснить». Фейнман предупреждал нас: произнося «Наука учит нас этому и этому», мы говорим неправильно. Наука ничему нас не учит, в отличие от опыта. На фразу «Наука научила меня тому-то и тому-то» можно было бы возразить: «Как она этому научила? Как ученые сделали это? Каким способом?» Наука учится на своих собственных ошибках. И она страдает от странной репутации в нашем обществе. Мы ждем от нее, что она ответит четко на любой вопрос; мы ждем от нее правды. Однако мы нигде не находим большего, чем «возможно», «может быть». «То, что мы сегодня называем научными знаниями, – говорил Фейнман, – это набор формулировок, правильных с разной степенью вероятности. Некоторые из них очень надежные; другие – почти надежные; но нет ничего абсолютно точного. Ученые к этому уже привыкли. Мы знаем, что возможно жить, не зная».
Однако не стоит забывать фундаментальный аспект, выделенный Фейнманом: «Нужно напоминать о значении науки детям по всему миру, и не только потому, что это сделает из них порядочных граждан или поможет им контролировать природу». О каком значении идет речь? Физик говорил:
«Видение мира, которое нам дает природа, имеет свое значение. Есть красота в чудесах природы, которую мы открываем как результат новых опытов [...]. Мир выглядит иначе, когда занимаешься наукой. Деревья, например, в первую очередь – порождения воздуха. Сгорая, они снова становятся воздухом... В пепле содержится то, что участвовало в жизни дерева, но было взято из земли, а не из воздуха. Это прекрасно, и наука наполнена подобной красотой. Она нас вдохновляет, и мы можем использовать это вдохновение, чтобы заразить им других людей».
Тот, кто пьет из колодца познания, никогда не перестанет этого делать. «Корни познания горьки, – говорил Аристотель, – но плоды его сладки». Не нужно быть слишком умным, чтобы это понимать. Достаточно использовать «маленькие серые клеточки», как выражался бельгийский детектив Эркюль Пуаро. И Ричард Фейнман знал, как их использовать с максимальной отдачей.
Прощай, Дик
Последние десять лет своей жизни Фейнман посвятил изучению нравов и обычаев азиатских кочующих племен Тувы, маленькой автономной республики бывшего Советского Союза на границе с Монголией. Также он принял участие в расследовании, которое позволило выяснить причину гибели космического корабля «Челленджер» в 1986 году, после чего ученый стал знаменитостью. Фейнман предал огласке причину катастрофы и то, как работники НАСА проигнорировали рекомендации экспертов: когда они оценили риск катастрофы в полете как 1 из 100000, специалисты получили результат 1 из 200. И Фейнман был полностью согласен со специалистами.
Фотография взрыва космического корабля «Челленджер» 28 января 1986 года.
Ричард Фейнман (второй ряд, первый справа) появляется на публике в последний раз в феврале 1986 года, во время работы в комиссии по расследованию причин гибели космического корабля «Челленджер».
Часы космического корабля, который идет со скоростью света, замедлятся, как и мозговая активность пилота.
Ричард Фейнман. -«Природа физики» (1965)
В окончательный отчет комиссии, расследовавшей гибель шаттла, пришлось включить замечания Фейнмана, в противном случае он отказывался его подписать. Ученый был возмущен: эта ужасная катастрофа, случившаяся из-за нарушения герметичности уплотнителя твердотопливного ускорителя, была полностью на совести НАСА. Резиновый уплотнитель потерял эластичность из-за низкой температуры воздуха ночью накануне старта. Затвердев, он больше не мог обеспечивать герметичность ускорителя, и пламя вырвалось наружу. В течение двух лет инженеры привлекали внимание своего руководства к ненадежности резиновых уплотнений в ускорителях. Накануне старта они снова предупредили об опасности, на этот раз в связи с низкой температурой воздуха. Но чиновники НАСА опасались урона для имиджа своей организации и не обращали внимания на все технические моменты. Поэтому Фейнман завершил свой отчет такими словами:
«Для того чтобы технология имела успех, нужно, чтобы реальность преобладала над общественными отношениями; нельзя обмануть природу».
После официальной церемонии в Белом доме Фейнман вернулся к себе домой, чтобы умереть, и он это понимал. Весной 1984 года он почувствовал неладное. Был случай, когда ученый надел пиджак и галстук, чтобы лечь спать, а как-то он потратил 45 минут для того, чтобы найти свою машину, припаркованную напротив дома... Однажды, выходя после лекции, он заметил, что невнятно разговаривает. Обследование выявило кровоизлияние в мозг. Он был в срочном порядке прооперирован.
В конце 1970-х Фейнман лечился от рака. В октябре 1987 года болезнь вернулась. Врачи решили попытаться в последний раз облучить рак. Истощенный, Фейнман потерял аппетит. Врачи интенсивной терапии нашли еще и прободную язву; также они обнаружили, что единственная почка, которая у него оставалась, начинала отказывать. Диализ почти не помогал, и Фейнман отказался дальше использовать его для продолжения своей жизни. Он сказал своей дочери Мишель «Я скоро умру», как если бы он сказал «Это уже решено». Назначение морфина и кислорода было его единственной уступкой паллиативной медицине. Врачи сказали, что ученому оставалось прожить пять дней. Понемногу он терял сознание. Чтобы говорить, ему приходилось прикладывать сверхчеловеческие усилия. Его последние слова, которые он, видимо, приготовил заранее, были обращены к Гвинет: «Я не хотел бы умереть дважды. Это так раздражает». Незадолго до полуночи, 15 февраля 1988 года, Ричард Филипп Фейнман покинул этот мир в возрасте 69 лет.
Сталкиваясь со смертью, мы, люди, не ищем правильных ответов, а ищем те, которые нас утешают. Мы нуждаемся в уверенности, чтобы жить, – уверенности реальной или вымышленной, которая скрасит агонию смерти. Фейнман был иного мнения:
«Я могу жить в сомнении и неуверенности, не зная чего-то. Я думаю, что более интересно жить так, чем иметь ответ, способный стать ошибочным. У меня есть приблизительные ответы и разной степени уверенность относительно многих вещей, но полностью я ни в чем не уверен... Я не боюсь игнорировать возможность, потеряться в таинственной Вселенной без какой-либо цели. Это меня не пугает».
Таков был Фейнман.
На следующий день после его смерти двое студентов взобрались на крышу библиотеки Калтеха и вывесили транспарант с надписью: «Мы тебя любим, Дик».
Список рекомендуемой литературы
Feynman, R.P., Qu’en pensez-vous monsieur Feynman ?Lettres 1939– 1987y Paris, Dunod, 2006.
– Vous voulez tire, monsieur Feynman !, Paris, Odile Jacob, – What Do You Care What Other People Think ?, New York, W. W. Norton & Company, 1988.
– Quantum Electrodynamics, Boulder, Westview Press (Coll. Advanced Book Classics), 1998.
– Le Corns dephysique de Feynman (5 volumes), Paris, Dunod, 1999.
– La Nature de la physique, Paris, Seuil (Coll. Points), 1980. Gamow, G., Biography of Physics, New York, Dover Publications, 1988.
Gell-Mann, M., Le Quark et le Jaguar: Voyage au coeurdu simple et du complexe, Paris, Flammarion (Coll. Champs), 1988.
Greene, B., The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, New York, W. W. Norton & Company, 1999.
Gribbin, J., In search of SUSY: Supersymmetry and the Theory of Everything, London, Penguin, 1998.
– Science :A History, 1543-2001, London, Penguin, 2002.
– Le Chat de Schrodinger: Physique quantique et realite, Paris, Flammarion (Coll. Champs), 2009.
Hoof’t, G., Particulas elementales, Barcelone, Drakontos, 2008. Kragh, H., Quantum Generations : A History of Physics in
the Twentieth Century, Princeton, Princeton University Press, 1999.
Navarro Faus, J., Los caminos cudnticos. Feynman, Madrid, Nivola, 2007.
Rosenblum, B. et Kuttner, F., Quantum Enigma : Physics Encounters Consciousness, New York, Oxford University Press, 2011.
Teresi, D. et Lederman, L., The God Particle : If the Universe Is the Answer, What Is the Question ?, New York, Dell Publishing 1993.
Yndurain, F.J., Electrones, neutrinos у quarks, Barcelone, Critica, 2001.
Указатель
Азимов, Айзек 33,159
амплитуда вероятности 63, 65
антисемитизм 35
Белл, Мари Луиз 117-118 бесконечные величины 12, 56, 77, 86-89, 95, 98, 100, 110
Бете, Ханс 35,41,71-74, 76, 79,81,84,93-97,102,107, 108, 111
биология синтетическая 161
бомба атомная 16, 41, 43, 45, 46, 67, 69,71,74,84, 90
Бор, Нильс 8, 24-26, 48-50, 70, 92,96, 99, 103, 118
взаимодействие сильное 131, 133, 134, 143, 144,146
слабое 13, 16, 129, 133,134, 139-142, 151, 153
виртуальные частицы 55, 56, 87-89,102,104
волновая функция 30, 61-63, 126
Вторая мировая война 16, 45, 67, 68, 77,107
вторичное квантование 54, 86
«Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» 7, 16
Гарвард 42, 82, 95, 100, 108, 110, 132
Гейзенберг, Вернер 8, 26, 27, 33,47,48, 56, 86-89, 98,121
Гелл-Ман, Марри 8, 10, 13, 16, 94,129,132-134,139-144, 146, 147, 153
Гринбаум, Арлин 7, 11, 16, 59, 60, 66-71,73, 74, 76, 79, 152
болезнь 7, 16, 65, 66, 67, 73-74
смерть 7, 16, 76, 79, 108, 117
Дайсон, Фримен 16, 106-111, 132, 156-157
двойная щель 27-32, 63
де Бройль, Луи 21, 25, 26, 30, 31,47
диаграммы Фейнмана 9, 13, 16, 103-105,110,113,125, 139
Дирак, Поль Адриен Морис 27, 36,47-51,54,55, 64, 65, 81,85-86, 90, 92,93, 95, 96, 98, 99, 104, 107, 141, 156
дуализм волна-частица 28
заряд 50, 51, 53-58, 87, 88, 96, 104, 131, 134, 144 заряд у 134
Институт перспективных исследований, см. Принстон интегралы по траекториям 70, 95, 110, 122, 128, 141
Калифорнийский технологический институт 7, 8, 9, 94,113,115,116,132, 135,139, 143, 147, 151, 154, 156, 158, 160, 167
квант 22, 54
квантовая гидродинамика 121– 125
квантовая электродинамика (КЭД) 1016, 47, 54-56, 64, 69, 77,88-90, 93,95-100, 102,108-111,132,156
квантовый компьютер 159, 160
кварки 8, 13, 143, 144, 146, 147
конденсат Бозе – Эйнштейна 122-124
копенгагенская интерпретация 70
Корнелл 7, 16, 72, 79, 82, 84, 94, 107-109,115,117
Ландау, Лев 119, 120, 121, 125, 128
Лос-Аламос 7, 71, 73-76, 79, 81,84,85,108,115,154
Массачусетский технологический институт (МТИ) 7, 16, 32-36, 42,56, 60,81,82, 127, 132
нанотехнология 16, 149, 158
Нётер, Эмми 138
нарушение четности 139-141
партоны 146-147
Паули, Вольфганг Эрнст 49, 56, 87, 98
перенормировка 89, 94-95, 102, 108, 109
позитроны 51, 52, 87, 88,100, 101, 103,105
Поконо, горы 16, 96,97,99, 102,103, 105
поле 36, 50, 52-57, 86, 87, 90, 92, 96, 101, 110, 140, 145, 146
поляризация вакуума 87 премия Нобелевская 8, 10, 15, 16, 36,45, 48, 56, 72,77, 90, 132,135,140,143,155,156, 157
Принстон 7, 32, 42, 43, 45, 46, 60, 64, 65, 66, 68,81,84-86, 99,108,132,156
принцип наименьшего действия 39, 40, 61, 64, 69, 70, 93
принцип наименьшего времени 38
принцип неопределенности 33, 47, 56, 89, 99,121,126
пятый Сольвеевский конгресс 48, 90
Раби, Исидор Айзек 80, 81, 90, 92,96
Резерфорд, Эрнест 23-25, 46, 57, 146
рождение и аннигиляция пары 105
сверхпроводимость 120
сверхтекучесть 13, 16, 113, 119-121, 125, 127-128 свет 12, 22-25, 28, 29,31,36– 39, 47, 54, 58, 64, 86, 88, 90, 162, 164
Силард, Лео 45, 46
симметрия 136-138, 142, 143, 147
собственная энергия электрона 56, 87, 92, 93, 95
сопротивление излучения 57
странность 133-135
«Там, внизу, еще много места» 158
теория возмущений 87, 88, 127
«Теория позитронов» 106
Томонага, Синъитиро 13, 16, 98-100, 102, 103, 109, 155
Уилер, Джон Арчибальд 43, 46, 47, 57-61,64,69, 73, 101, 102
уравнение Клейна – Гордона 36, 49
Фейнман в Бразилии 7, 11, 113, 115– 118, 141
депрессия 82-85 интуиция 8, 13, 14, 15, 84, 97, 111
«Молекулярные силы» 41
отношения 11, 83, 151
родители 14, 20, 76, 80, 81, 82
смерть 8-10, 14, 16, 20, 83, 149, 166-167
«Фейнмановские лекции по физике» 9, 16, 154-155
фон Нейман, Джон 70, 96
Хиггс, Питер 145
Ховард, Гвинет 7, 11, 16, 151 – 153, 166
«Челленджер» 14, 16, 149, 164-166
четность 136-141
«Что есть наука?» 13
Швингер, Джулиан 13, 15, 16, 80-82,91,93, 95-100,102, 106,108-110,132,155
Шелтер, остров 90-92, 96, 107, 112
Эйнштейн, Альберт 8, 12, 21 – 26, 32, 35, 36,42, 45,47,48, 67, 70, 80,121-124,151,152
электрон 12, 16, 21, 23-27, 29-32, 36, 48-52, 54-59, 70, 77,81,85-89, 92,93, 95, 100-107,110,119,120, 125, 134, 139, 140, 141, 144, 146
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.
