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

Как объяснить это явление? Вспомним принцип неопределенности Гейзенберга, который позволяет виртуальным частицам появляться с почти неограниченной энергией. В этом бурном море пар электронов-позитронов единственным правилом является их срок существования, зависящий от энергии, с которой они появляются: чем больше энергия, тем меньше они существуют. Как следствие, ничто не мешает этим парам виртуальных частиц возникать всегда с большими энергиями, чем они отдают, согласно принципу неопределенности. Кроме этих вопросов, вторая более конкретная проблема, характерная для расчетов КЭД, — ее долгий и скучный формализм. Простая операция могла занимать месяцы; изучение всех различных способов, которыми виртуальные частицы могли вести себя, вело к алгебраическому кошмару.

Бесконечные, практически нескончаемые расчеты... Великие физики середины 1930-х годов высказывали мнение, что все это признаки новой концептуальной революции, которая должна была начаться. После войны молодое поколение физиков, выросшее на технологических проблемах атомной бомбы и радара, было готово таким же способом решить вопросы квантовой электродинамики. Их подход был в высшей степени практичным: оставить в стороне философские вопросы о теории познания новой физики и в большей степени заняться реальной проблемой: найти способ избавиться от бесконечных вычислений.

В одну апрельскую субботу 1947 года Уиллис Лэмб, ученый из Лаборатории радиации Колумбийского университета (редкая птица в физике, когда речь идет о теоретике, ставшем физиком-экспериментатором), и его студент Роберт Резерфорд сделали открытие, вскоре обозначившее будущее физики. Они подвергли атом водорода микроволновому облучению, чтобы измерить с большой точностью его уровни энергии. В ходе эксперимента они открыли различие между двумя из них, тогда как теория Дирака предусматривала, что они должны были бы получить в точности такую же энергию. Дирак ошибся! После этого открытия у Лэмба крутились в голове только два слова: Нобелевская премия. Двумя месяцами позднее Оппенгеймер пригласил его принять участие в небольшой конференции в отеле Ram’s Head, расположенном на острове Шелтер, недалеко от Лонг-Айленда. Никто и не подозревал, что эта встреча, подобно пятому Сольвеевскому конгрессу в 1927 году, вскоре изменит физику.

Конференция на острове Шелтер

Каково было удивление жителей Нью-Йорка, возвращавшихся с работы 1 июня 1947 года, когда они увидели эскорт мотоциклов полиции, под вой сирен сопровождавший автобус в направлении острова Шелтер! В этом автобусе ехало 24 физика, большая часть из которых участвовала в Манхэттенском проекте. Уже в отеле «они поспешили в кулуары, бормоча математические уравнения, и ужинали, возбужденно беседуя на научные темы»,— писал на следующий день журналист New York Herald Tribune. Слухи распространились среди жителей острова со скоростью света: говорили, что эти ученые приехали сюда, чтобы разработать новый вид бомбы. Но на самом деле целью этой конференции, организованной Оппенгеймером и проходившей под патронажем Национальной академии наук, было обсудить будущее теоретической физики. Перед тем как явиться на конференцию, Исидор Айзек Раби сказал одному коллеге, что в области физики «последние 18 лет были самыми непродуктивными годами этого века». Другой отец КЭД, австриец Виктор Вайскопф, объявил, что «теоретическая физика находится в тупике». Общее впечатление было таковым, что в течение 20 лет все словно бились головой о стену.

Данная конференция должна была позволить обсудить неофициальным образом проблемы КЭД. Ранним утром 2 июня, когда Лэмб представил свои результаты, все поняли, что сообщенная им информация — ключ к решению проблемы. Остальное было обсуждено позднее под руководством Оппенгеймера и Вайскопфа. Именно тогда Раби поднялся и изложил результаты своих опытов. При помощи двух своих студентов, Джона Нафе и Эдварда Нельсона, он обнаружил, что, располагая атом в магнитном поле, можно было получить результаты, хоть и не значительно, но отличающиеся от теоретических предсказаний уравнения Дирака для величины, известной как g-фактор. Релятивистская теория Дирака предусматривала значение, равное 2; опыт Раби дал результат 2,00244. Различие было очень незначительным, порядка 0,1%, и любой экспериментальный физик мог бы считать, что результат отлично совпадает с теоретически предсказанным. Однако в глазах участников конференции острова Шелтер эта малозначительная разница стала огромным стимулом.

Фейнман и ударные инструменты.

Австрийский физик Виктор Вайскопф, участник проекта «Манхэттен».

Нобелевская премия 1965 года. Справа налево: Роберт Вудворд (химия), Джулиан Швингер и Ричард Фейнман (физика), Франсуа Жакоб, Андре Львов и Жак Моно (физиология и медицина) и Михаил Шолохов (литература).

Я присутствовал на многих конференциях, но никогда не чувствовал себя таким значимым, как в этот раз.

Впечатление Фейнмана от конференции на острове Шелтер

Дискуссии продолжились до глубокой ночи, в том числе и за ужином. Ученые разбились на небольшие группы и продолжали спорить в коридоре, в холле... Везде присутствовали эмоции, кипели страсти. На следующий день ученик Бора, Хендрик Крамере, представил свое видение способа работы с электроном, помещенным в электромагнитное поле. Предположим, что анализируемая энергия электрона представлена как дополнительный взнос в массу электрона. Другими словами, его наблюдаемая масса соответствует «голой» массе, большей «электромагнитной массы», производимой взаимодействием со своим собственным полем. «Голая масса» — чисто теоретическая величина, которая существует в отсутствие электромагнитного поля. В любом случае то, что мы измеряем в реальности, соответствует другой массе, «одетой массе». Поэтому необходимо переписать уравнения исходя из наблюдаемой массы: теория должна «прийти в порядок». Вайскопф и Швингер высказали мысль, что явление, обнаруженное Лэмбом, объяснялось взаимодействиями между электронами и вездесущими виртуальными частицами и что предложение Крамерса могло, таким образом, стать окончательным решением.

Ранним утром третьего и последнего дня собрания Оппенгеймер попросил Фейнмана рассказать о своей работе в неофициальной обстановке. Последний изложил свои идеи о применении принципа наименьшего действия в нерелятивистской квантовой механике и свой подход к сумме всех траекторий. Тем не менее, хотя и предлагая творческую интерпретацию квантовой механики, Фейнман не давал никаких проверяемых результатов и не мог использовать уравнение Дирака в своей формуле: казалось, что он лишь играет с несколькими идеями. Один из его ассистентов на конференции, Абрахам Пайс, вспоминал в дальнейшем, что «никто не понимал, о чем он говорил». Конференция завершилась с чувством того, что КЭД по-настоящему потерпела крах. Так Швингер вспоминал позднее: «Факты были невероятными; они говорили о том, что священная теория Дирака полностью рухнула».

После собрания Бете сел в поезд до Скенектади, где он работал в качестве консультанта на полставки для «Дженерал Электрик». Сидя в вагоне, он начал размышлять о предположении Крамерса. Если мы основываемся на его идее, то что мы получаем для электрона, находящегося в атоме водорода? Один, как и второй, включали в себя величину, отличную от анализируемой энергии, и это приводило к вычитанию бесконечного из бесконечного. Результат явно был абсурдным... или, может быть, нет. Вычислительная машина, которой являлся Бете, принялась за работу, основываясь на нерелятивистской КЭД. Каково же было его удивление, когда он увидел, что хотя полученный результат по-прежнему продолжает стремиться к бесконечности, он делает это уже медленнее! Интуиция Бете говорила ему, что если осуществить то же самое в релятивистской КЭД, тогда это расхождение полностью исчезнет. Бете позвонил Фейнману, чтобы рассказать ему о своем открытии и чтобы убедиться, что черновик его расчетов окажется у Оппенгеймера меньше чем через неделю. Вернувшись в Корнелл в июле, он провел семинар, объясняющий его расчеты, и предложил возможные способы применения релятивистского предела. После конференции Фейнман подошел к нему и сказал: «Я могу это сделать для тебя. Расчеты будут у тебя на столе завтра утром».

Перенормировка

В то время Фейнман столкнулся с серьезной проблемой: следовало письменно изложить свои идеи в виде научной статьи, особенно те из них, которые он развернул в своей докторской диссертации. Это было нелегко для него. Он очень хорошо умел выражать свои мысли в виде личных заметок, составленных в его особом фамильярном тоне и используемых им впоследствии для будущих исследований. Но редактирование научной статьи требовало более формального подхода, логической и последовательной манеры объяснять результаты, шаг за шагом. Все это являлось полной противоположностью рабочему стилю Фейнмана. Он не придерживался никакой логической последовательности. Очень часто Фейнман предугадывал ответы, а затем применял их ко многим примерам, чтобы проверить их истинность. Физик Марри Гелл-Ман (он сотрудничал с Фейнманом в 1950-е годы, когда они оба работали в Калтехе) рассказывал анекдот, который давал представление о стиле работы его коллеги. Однажды один студент пришел к нему с серией заметок, которые он приписывал Ричарду Фейнману. Гелл-Ман посмотрел на них и сказал: «Нет, это не его. Его методы не такие, как наши». «И каковы же они?» — спросил студент. Гелл-Ман подошел к доске, находившейся в его кабинете, и объяснил ему: «Дик работает следующим образом. Ты записываешь задачу. Ты интенсивно раздумываешь над ней, — сказал он, закрывая глаза и комично подпирая рукой свой лоб. — Затем ты пишешь решение».