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

Она страдала не болезнью Ходжкина, а редкой формой туберкулеза. Врачи и не думали проверять данное предположение, так как статус больной не соответствовал категории риска: Арлин не была ни слишком молодой, ни достаточно бедной, чтобы находиться под угрозой «белой чумы». Хотя не существовало эффективного лечения от туберкулеза, фатальный исход не был неизбежным, и со свадьбой больше не спешили. Когда Арлин объявила об этом Ричарду, он заметил легкое разочарование в голосе своей невесты.

В любви и на войне

Весной 1941 года грохот немецких пулеметов MG-34 раздавался во всем мире. Ученые, покинув нацистскую Европу, обосновались в американских университетах. Последние прибывшие, вроде Герберта Йеле, рассказывали жуткие истории о преследованиях и концентрационных лагерях. Активное участие исследовательских центров в военном машиностроении начало давать результаты. Например, нацистское фиаско в битве за Англию во многом было обязано новой системе обнаружения самолетов с помощью микроволнового излучения — радара. В это время почти никто не знал, что в особняке Блетчли-Парк, в 80 км от Лондона, математик Алан Тьюринг (1912-1954) заложил основу для создания первого компьютера, вошедшего в историю под названием «Колосс». Его задачей было расшифровать перехваченные сообщения немецкой армии и флота.

Однажды утром 1942 года Роберт Р. Уилсон вошел в рабочий кабинет Фейнмана. Этот физик-экспериментатор прибыл в Принстон для работы над методом разделения изотопов нужного физикам урана-235 и неиспользуемого урана-238. Он собирался сообщить Фейнману секретную информацию о своей работе: нужно было, чтобы ученый произвел теоретические расчеты, и получить его согласие можно было только в случае детального изложения проблемы.

Фейнман хотел закончить свою диссертацию. Это являлось одним из условий, которые он поставил перед собой до свадьбы. Ему казалось, что предложение Уилсона было больше связано с проблемой инженерии, чем физики, и вначале Фейнман хотел отклонить его. Однако шла война: поскольку у ученого не было уверенности, что в армии он будет заниматься своим делом, он предпочел не поступать на службу. Теперь ему предлагали возможность принять участие в чем-то большом и важном: поэтому он согласился отложить свою докторскую диссертацию и принялся за работу.

Я хочу жениться на Арлин, потому что я ее люблю, и для меня это означает, что я стремлюсь заботиться о ней. Это все, что я могу сказать: я хочу окружить ее заботой. [...] Однако у меня есть и другие жизненные цели и желания. Между прочим, я мечтаю внести свой ощутимый вклад в физику. На мой взгляд, это даже важнее, чем моя любовь к Арлин.

Фейнман о своем браке с Арлин Гринбаум

В то самое время Уилер переехал в Чикаго, чтобы работать с Энрико Ферми над созданием ядерного реактора, способного поддерживать управляемую цепную реакцию деления: это был первый шаг к пониманию неуправляемой реакции, ведущей к взрыву бомбы. Вигнер тоже проводил все больше и больше времени в Чикаго, и весной 1942 года оба профессора пришли к согласию, что их блистательный студент должен сначала закончить свою диссертацию, прежде чем запутается в методах разделения изотопов урана. Давление наставников имело ожидаемый эффект.

Фейнман очень хорошо знал, что он совершил: он заново изобрел квантовую механику, исходя из принципа наименьшего действия. Но он также знал, чего он не сделал, и этому он посвятил последнюю главу своей диссертации. Во-первых, его работа не содержала никакой ссылки на экспериментальную проверку, так как его формула была полностью не релятивистской. Создание квантовой электродинамики, исходя из формулы Лагранжа, требовало работы, которую он не выполнил.

Во-вторых, его больше интересовала физическая интерпретация этой новой формулы. Фейнман отлично знал: один из самых яростных споров, который вели физики в последние десятилетия, был посвящен тому, что называли «проблемой измерения». Общепринятой точкой зрения была копенгагенская интерпретация, в правоте которой Бор убедил большое количество физиков (за исключением Эйнштейна) и которая гласила, что мы живем в мире, где свойства микрообъектов не существуют, пока они не измерены: поэтому невозможно отделить исследуемый объект от наблюдателя.

Фейнман вел дискуссию по этому поводу с математиком Джоном фон Нейманом. Суть дискуссии заключалась в следующем. Известно, что наблюдение требует наличия двух вещей: лабораторного инструмента и электрона, или, если быть более точным, большой макроскопической системы, существующей по законам классической физики, и микрообъекта, подлежащего квантовой механике. Где находилась граница между этими двумя объектами? Фон Нейман утверждал, что каждый должен был решить по своему усмотрению, где выбрать место для этой границы. Фейнман находил данное предложение спорным и неприемлемым. Если квантовая механика была описанием реальности, то разделение должно было возникнуть естественным образом и ни в коем случае не могло зависеть от чьих-то желаний.

Математический инструмент, предложенный Фейнманом в 1948 году, который он назвал «интеграл по траекториям», позволял разделить систему на различные части: изолировать область системы, которую нужно измерить, от других областей, не представляющих интереса. Этот метод, недоступный для обыкновенных уравнений квантовой механики, казался математическим каламбуром, но не будем обманываться: именно с его помощью появились многие великие достижения XX века в теоретической физике.

Фейнман знал, что проблемой его формулы было время, так как она должна была «рассказать о состояниях системы, иногда очень удаленных от настоящего момента». Найти физическую интерпретацию для данной формулы означало провести титаническую работу. Ученого выводило из себя то, что он не мог этого сделать. Как бы там ни было, в июне он представил свою диссертацию «Принцип наименьшего действия в квантовой механике». А несколькими днями позднее Фейнман сообщил своей семье, что в следующем году он женится на Арлин.

Новость сильно обеспокоила Люсиль, его мать. Она думала, что болезнь Арлин будет только мешать карьере ее сына. Ее также тревожило и то, что лечение от туберкулеза было дорогостоящим и что уход за больным требовал полнейшей самоотдачи. Люсиль сомневалась, что Ричард располагает деньгами и необходимым временем, чтобы заботиться об Арлин. По ее словам, стремление Ричарда жениться проистекало из его желания доставить удовольствие любимому человеку, «немного похоже на то, как ты иногда ешь шпинат, чтобы сделать мне приятное». Одним словом, она посоветовала ему оставаться «женихом». На это Фейнман ответил, что его решение разделить жизнь со своей возлюбленной непоколебимо, но, тем не менее, у него есть и другие приоритеты. И Арлин, умная девушка, также это знала и поддерживала его.

Брак состоялся в мэрии Статен-Айленда, без друзей и членов семьи. Чтобы не заразиться, новоиспеченный супруг поцеловал свою жену в щеку. После церемонии он отвез Арлин в ее новое жилище, благотворительную больницу в Нью-Джерси. Сам ученый готовился отправиться в Нью-Мексико, в место под названием Лос-Аламос: он собирался принять участие в одном из самых важных научных проектов XX века — создании атомной бомбы.

Новое солнце в небе

В 5.30 утра 16 июля 1945 года на полигоне Аламогордо, расположенном на пустынной равнине Нью-Мексико под названием Джордана дель Муэрто, Джулиус Роберт Оппенгеймер отдал приказ привести в действие первую в истории атомную бомбу. Фейнман прибыл в Лос-Аламос с первой волной ученых в конце марта 1943 года и был распределен в теоретическую группу под руководством Ханса Бете, бесспорного «отца» ядерного деления.

В апреле 1938 года два светила современной физики, Георгий Гамов (1904- 1968) и Эдвард Теллер (1908-2003), организовали конгресс в Институте Карнеги в Вашингтоне, целью которого было ответить на вопрос: почему звезды светят?

Среди участников находился беженец из нацистской Германии, специалист по ядерной физике и преподаватель Корнелльского университета Ханс Бете (1906-2005). Всегда полный энергии, Бете имел врожденный талант к физике и математике: кажется, что он все свое время посвящал игре с цифрами и буквами. На конгрессе в Вашингтоне астрономы объяснили физикам все, что им было известно о внутреннем строении звезд. Несмотря на огромное количество информации, имевшейся поданной теме, никто из них не мог сказать, откуда в звездах берется энергия. Один из классических трудов по астрофизике «Внутреннее строение звезд», созданный Артуром Эддингтоном, хорошо описывает внутреннюю структуру звезд, не упоминая об их энергетическом источнике. И вот настала очередь физиков заняться этим вопросом.