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().

---

Фейнман рассуждал таким образом. Представим, что мы перемещаем атом из точки А в точку В на длинном расстоянии. Если новая конфигурация должна иметь единую плотность, тогда необходимо преобразование других атомов, и один атом должен перемещаться, чтобы занять оставшееся пустое место. Перемещая очень отдаленный атом, мы будем пытаться поверить, что выходящее состояние должно сильно отличаться от начального. Но об этом можно забыть, когда речь идет о бозонах: даже при взаимозаменяемости очень удаленных атомов гелия мы сохраняем такую же конфигурацию, так как в действительности мы обмениваем идентичные бозоны (рисунок 1). Только волновая функция будет изменена, если перемещение из А соответствует хотя бы половине средней дистанции между соседними частицами. В этом случае новая конфигурация будет отличаться от начальной (рисунок 2).

РИС. 1

РИС. 2

Таким образом, вибрации не могут быть больше, чем среднее расстояние между атомами. Но на этом уровне мы наблюдаем состояния, снабженные большой энергией, отличающейся от той энергии, которой располагают атомы гелия при температурах сверхтекучести. Таким образом, они никогда не будут доступны в системе.

Так Фейнман доказал, что не существует состояния возбуждения слабой энергии, легкодоступной для движения атомов. Сверхтекучесть поддерживается при условии, что тепловая энергия системы будет ниже разницы между фундаментальным состоянием и состоянием возбуждения малейшей последующей энергии.

Две жидкости в одной

До того как Фейнман посвятил себя этой теме, венгр Ласло Тисса, выдающийся профессор МТИ, предложил модель для двух жидких тел, чтобы описать переход между обычной и сверхтекучей жидкостями. При абсолютном нуле гелий полностью сверхтекучий. По мере того как он разогревается, возбуждения при движении появляются в сверхтекучей жидкости, способные войти в столкновение с краями сосуда и рассеять энергию, действуя в качестве составляющей обычной жидкости. Если температура повышается, появляются новые возбуждения, до тех пор, пока составляющая обычной жидкости не займет весь объем.

Благодаря этим примерным расчетам, основанным на первичных принципах, Фейнман смог воспроизвести это явление, однако пришлось ждать 32 года до того момента, когда стало возможным произвести достаточно исчерпывающие расчеты с экспериментальными данными. Это случилось в 1985 году благодаря сверхкомпьютеру, точно рассчитавшему интегралы по траекториям, которые Фейнман ввел лишь приблизительно.

Тем не менее один из своих самых впечатляющих «фокусов» в области физики Фейнман показал, ответив на следующий вопрос: что происходит, если сосуд, содержащий сверхтекучий гелий, начинает вращаться? Данный вопрос может показаться обычным... до того момента, когда берешься на него ответить. Учитывая природу фундаментального состояния и энергии, необходимой для достижения состояния возбуждения, состояние сверхтекучести должно быть «безвихревым». Это означает, что вибрации, мешающие течению, не могут появиться. Но что происходит, если жидкость начинает вращаться, потому что сосуд сам находится во вращении?

Фейнман сделал вывод, что жидкость в своем полном объеме не может начать вращаться, но маленькие отдельные части, порядка нескольких атомов в диаметре, могут начать ротацию вокруг своей собственной центральной зоны. Речь идет о ротонах Ландау.

Такая математическая виртуозность впечатляет, но особо ценно в работе Фейнмана то, что он сделал очевидной пользу вариационного метода, который, начиная с этого времени, употребляется для решения основных проблем, связанных с изучением материи.

Глава 5 От атомов к кваркам

В 1950-е годы физика сталкивается с новой проблемой: необходимо навести порядок среди огромного количества новых частиц, которые продолжают открывать ускорители. Другая задача: изучить взаимодействия между ними, в частности слабое взаимодействие, отвечающее за распад нейтрона. После отступления в сторону, в физику конденсированного состояния, Фейнман снова готов заняться исследованиями в своей любимой области. Чтобы это сделать, ему необходим важный союзник — Марри Гелл-Ман.

Журнал Nature опубликовал 20 декабря 1947 года две фотографии, представляющие два явления, названные «V», ввиду их характерной формы. Такие явления происходят, например, когда нейтральная частица, без заряда (которая не оставляет никакого следа в пузырьковой камере), распадается на две частицы с противоположными зарядами (оставляющие следы). Это то, что мы видим на первом фото. Второе показывает траекторию заряженной частицы, которая в определенный момент резко меняет направление. Опытному физику это говорило о наличии заряженной частицы, распавшейся на две: с одной стороны, нейтральная частица (которая не оставила фиксируемого следа своего движения) и, с другой стороны, частица с таким же зарядом, но с массой, отличной от массы главной частицы (откуда происходит изменение ее траектории). Что же именно вело себя таким образом?

Частица была названа «Л» («лямбда»), а что привлекало внимание, так это ее более долгая жизнь, чем можно было ожидать. В среднем срок жизни частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии, составляет 10-24 секунды, а срок жизни частицы A составил 10-10 секунд. И, что еще интересней, это была единственная частица, которая вела себя подобным образом. Это становится настолько важной темой, что Международный конгресс о космическом излучении 1953 года (проходивший с 5 по 11 июля во французском городе Баньер-де-Бигор) был почти полностью посвящен новым частицам, которые уже окрестили «странными». Общий ход мысли на данном форуме был отражен на первой странице его протокола: «Частицы, обсуждаемые на этом конгрессе, нельзя назвать вымыслом, и любая аналогия с частицами, существующими в природе, не случайна». Для четырех сотен присутствующих физиков все происходящее было очень важно. Существование «странных» частиц было просто возмутительным. «Все равно как если бы природа позволила себе фантазировать, как если бы новые явления смогли существовать, не участвуя на самом деле в мировом порядке»,— прокомментировал ситуацию француз Мишель Крозон. В конце конгресса молодой физик Марри Гелл-Ман, из университета Чикаго, представил концепцию странности, нового свойства субатомных частиц. Что она из себя представляет? И, что еще более важно, как ее встроить в существующие схемы?

Марри Гелл-Ман

Родившийся 15 сентября 1929 года в Нью-Йорке, Марри Гелл-Ман в возрасте 14 лет был назван «самым прилежным учеником» своими же товарищами по школе Columbia Grammar, расположенной в Верхнем Вест- Сайде Манхэттена. С самого юного возраста будущий ученый проявлял большой интерес к лингвистике, настолько сильный, что со временем стал экспертом по фонетике. Однажды Фейнман репетировал несколько строчек на самоанском языке для роли вождя племени в музыкальной комедии «Южный Тихий океан», которую они готовили в Калтехе. При этом он как-то сказал своему другу: «Марри будет единственным, кто знает, что произношение у меня неважное».

Король Швеции Густав VI Адольф приветствует Марри Гелл-Мана (справа) после вручения ему Нобелевской премии по физике в 1969 году.

Именно в университете Гелл-Ман начинает видеть свое призвание в изучении физики. Поступить в университет ему оказалось непросто, несмотря на то что в школе Гелл-Ман считался вундеркиндом: Йельский университет принял его только на математическое отделение, Гарвард — лишь при условии полной оплаты, а Принстон решительно ему отказал. При таких обстоятельствах он решает учиться в МТИ, куда и поступает в 1948 году, в эпоху, когда квантовая электродинамика становится популярной. Его наставник, Виктор Вайскопф, сказал ему, что будущее принадлежит Фейнману, поэтому Гелл-Ман начинает кропотливо изучать все его статьи. В результате изучения предмета у него складывается сугубо личное видение ученого мира КЭД: Фейнмана он считает прямолинейным, Швингер кажется ему пустым и чопорным, а Дайсон — ординарным и небрежным. В 21 год, после получения своей докторской степени, он уезжает работать с Ферми в Чикагский университет. В это время исследователи физики частиц должны были навести порядок в результатах, предоставленных ускорителями частиц: по мере того как они продвигались в своей работе, появлялись все новые частицы. Положение в данной области довольно запутанное: в журнале Review of Modern Physics финн Мэтт Росс описал 41 различную частицу. Говорить об «элементарных частицах» после этого просто смешно. 

Странность