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().

---

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».