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().

---

1918 11 мая в Фар-Рокуэй, Нью-Йорк, родился Ричард Ф. Фейнман.

1939 Фейнман выигрывает математический конкурс William Lowell Putnam. Получает диплом МТИ.

1941 Брак с Арлин Гринбаум, больной туберкулезом.

1942 Получение предложения работать над Манхэттенским проектом. Докторская диссертация «Принцип наименьшего действия в квантовой механике».

1945 Смерть Арлин. Взрыв первой атомной бомбы и окончание войны. Поступление в Корнелльский университет в качестве преподавателя.

1948 Участие в конференции в Поконо по теме квантовой электродинамики (КЭД). Публикация диаграмм Фейнмана в статье Фримена Дайсона «Теории излучения Томонаги, Швингера и Фейнмана».

1949 Публикация работы «Пространственно-временной подход к нерелятивистской квантовой механике», в которой он применяет свои диаграммы для фундаментальных взаимодействий между двумя электронами. Успешная презентация своих идей во время третьей конференции по теме КЭД в Oldstone-on-the-Hudson.

1953 Объясняет сверхтекучесть гелия.

1955 Читает свою знаменитую лекцию «О значении науки» в американской Национальной академии наук (НАН).

1958 Вместе с Марри Гелл-Маном публикует свое объяснение слабого взаимодействия — статью «Теория взаимодействия Ферми» в Physical Review.

1960 Выступает с лекцией, посвященной нанотехнологиям, во время ежегодной встречи Американского физического общества.

1961 Исследования в области биохимии, в частности бактериофага T4D.

1961 Издание лекций по физике, которые

1963 делают Фейнмана знаменитым: «Фейнмановские лекции по физике».

1965 Фейнман становится лауреатом Нобелевской премии по физике наряду с Джулианом Швингером и Синъитиро Томонагой.

1985 Публикует книгу «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» — сборник анекдотов о своей жизни.

1986 Участвует в комиссии по установлению причины аварии космического корабля «Челленджер».

1988 15 февраля — смерть Ричарда Ф. Фейнмана в Лос-Анджелесе, Калифорния, в возрасте 69 лет.

Глава 1 Новый квантовый мир

Попытки понять строение материи имеют долгую историю, которая восходит к античной Греции и Демокриту. Тем не менее только в конце XIX века стало ясно, что есть мир атомов. В 1890 году зародилась революционная концепция, которая достигла пика своего развития в 1930-х: квантовая теория.

Одиннадцатое мая 1918 года. Начало политической полемики: через несколько дней Вудро Вильсон, президент Соединенных Штатов Америки, подпишет закон «О подстрекательстве к мятежу» — «самый строгий закон против свободы слова в американской истории», по словам Джеффри Р. Стоуна, историка, специализирующегося в области американского гражданского права. Этот текст расширяет закон о шпионаже от 1917 года, квалифицируя как правонарушения любое мнение или любую речь, произнесенные на публике с использованием, как напишут в New York Times, «оскорбительной, грубой, нецензурной лексики по отношению к правительству Соединенных Штатов Америки, Конституции, флагу или армии». В целом данный закон был направлен на подавление любого антипатриотического выступления во время войны, которая, к слову сказать, уже подходила к концу. Но в тот день около миллиона амери-. канских солдат еще находились на Западном фронте, и половина из них была в арьергарде. Большая часть из этих солдат прибыла всего лишь несколько месяцев назад на окровавленную европейскую землю. В то время генерал Эрих Людендорф начал на Западном фронте генеральное наступление. Он понимал, что необходимо уничтожить французскую и британскую армии, чтобы помешать американцам закрепиться на боевых позициях. К тому же, прорвав фронт, Германия смогла бы подписать выгодное для себя перемирие. В таких условиях, несмотря на то что закон Вильсона стал ошеломляющим ударом для свободы слова, американские газеты едва ли не единогласно его приветствовали.

Никто не знал, что думал о происходящем Мелвилл Фейнман, этот еврей-ашкенази, эмигрировавший из Минска (Белоруссия), который учил своих детей бросать вызов ортодоксальности и всегда задавать вопросы. В конце Первой мировой войны он жил со своей женой Люсиль Филлипс в местечке Фар-Рокуэй, расположенном в Куинсе (одном из пяти районов Нью-Йорка), на южном побережье Лонг-Айленда. Здесь обосновалась большая еврейская община, исповедовавшая реформистский иудаизм (течение, зародившееся в Германии в XVIII веке), достаточно либеральная и открытая, чтобы принять таких атеистов, как Мелвилл. Тем не менее, когда Ричард Фейнман за несколько лет до своей смерти посетит места своего детства, то обнаружит, что местные жители стали самыми строгими ортодоксами.

Трудолюбие — единственная основа любого открытия.

Ричард Фейнман

А в тот день, 11 мая 1918 года, мысли Мел вилла были заняты не политикой, а рождением его первого сына. Согласно семейной легенде, он сказал своей жене Люсиль: «Если родится мальчик, то он будет ученым», на что она ответила: «Не дели шкуру не убитого медведя».

Мелвилл всегда интересовался науками, но в те времена стать ученым для еврея-иммигранта было недостижимой мечтой. Поэтому он занялся торговлей: продавал униформу для полиции, грузовики для почтовой службы, воск для автомобилей... Однако его методы воспитания оказались весьма успешными. По прошествии лет его сын Ричард признался в том, что не заметил, как отец подтолкнул его к увлечению наукой, поскольку никогда не слышал от него фраз вроде: «Ты должен изучать физику». Зато Мелвилл показал своему сыну, как следует заниматься наукой, то есть задавать себе вопросы вместо того, чтобы довольствоваться уже готовыми ответами; быть более внимательным к тому, что еще остается тайной, чем к тому, что уже известно. Подобным образом он показал ему, что можно жить, не зная существующих ответов на важные вопросы, и что даже лучше так жить. Со своей стороны, Люсиль привила своему сыну чувство юмора, самоиронию и, особенно, мужество первооткрывателя. Все эти качества окажутся решающими в будущей жизни молодого Ричарда.

Когда «Ритти» было пять лет, у него появился младший брат. Его назвали Генри Филлипс в честь дедушки по материнской линии, умершего за год до его рождения. Однако семью ждало несчастье: через месяц, 25 февраля 1924 года, в возрасте четырех недель малыш заболел и умер, вероятнее всего от менингита. А в ноябре этого же года, в 5800 километрах от этого места, Луи де Бройль представил свою докторскую диссертацию по физике, по поводу которой Эйнштейн заявил: «Он поднял край великого занавеса», так как этот ученый только что навеки изменил представления о материи. Наступил решающий момент в революции, которая началась еще 30 лет назад, во время так называемого сиреневого десятилетия.

Загадки и революции

Последние годы XIX века были неспокойными для научного мира. Несмотря на мнение британского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который поддержал в 1900 году идею о том, что «больше нечего открывать в современной физике, остается лишь совершенствовать уже имеющееся», наука открыла электрон, частицу, происхождение которой никто не знал, и доказала, что некоторые урановые соединения являются источником неизвестных лучей. Новая загадка — радиоактивность — вошла в науку. Наконец, ситуация окончательно запутывалась тем, что две великие физические теории XIX века оказались несовместимыми между собой. С одной стороны находилась механика Ньютона, которая относилась к движению тел, а с другой — электромагнетизм, объясненный шотландцем Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Принцип относительности Галилея гласил, что законы механики в инерциальных системах отсчета всегда работают одинаково, независимо от того, находятся ли эти системы в неподвижности или в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Этот принцип отлично работал для воздушных шаров и камней, но не применялся к свету. Противоречия были сняты теорией относительности Эйнштейна, согласно которой механика Ньютона оказалась применима к телам, двигающимся с малой скоростью, и не годилась для тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света.

Кроме того, развитие термодинамики возродило гипотезу, немного устаревшую, но всегда являвшуюся источником полемики: материя состоит из крошечных и неделимых атомов. Это предположение позволило применить законы механики и благодаря им просчитать многочисленные физические свойства материи. Однако не все ученые были убеждены в правомерности такого подхода. Среди них был и немецкий ученый Макс Планк, специалист по классической термодинамике. Он считал, что атомы — «враги прогресса», и в конце концов они «должны быть забыты ради предположения о непрерывности материи». Любопытно, что этот же ученый станет протагонистом самых важных концептуальных революций в истории науки. Он сообщит абсурдный для его современников факт 14 декабря 1900 года в Немецком физическом обществе: материя не может поглощать энергию бесконечно маленькими порциями. Существует минимальное количество энергии, квант, ниже которого нельзя опускаться. Его значение можно получить с помощью простого уравнения, соединяющего энергию и частоту света («цвет» света): Е = hv; h — коэффициент пропорциональности, известный впоследствии как постоянная Планка. Через пять лет Альберт Эйнштейн пошел дальше, чтобы объяснить фотоэлектрический эффект (рисунок 1), который благодаря ему прочно вошел в нашу жизнь: он используется, например, при работе автоматических дверей, цифровых фотоаппаратов и турникетов, при включении уличных фонарей при наступлении темноты и так далее. В одной из своих больших статей (опубликованной в легендарном 17-м выпуске журнала Annalen derPhysik) он утверждал, что не только материя поглощает излучения квантами, но и сам свет имеет квантовую природу Идея, о которой не упоминали со времен Ньютона: свет действует как поток частиц, фотонов.