Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

• Название: Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность
• Автор: Пол Халперн
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-093386-0

Перед вами история невероятной дружбы между двумя великими физиками, изменившими понятия времени и истории, Ричардом Фейнманом и Джоном Уилером. Несмотря на различия этих двух личностей, их дружба выдержала испытания временем и способствовала чрезвычайно успешному сотрудничеству, приведшему в итоге к полному переосмыслению природы времени и реальности.

---

Многие физики, узнавшие об этом открытии – особенно те, кто бежал от фашистских режимов в Европе, – ужаснулись при мысли о том, что нацисты могут получить бомбу, взрывная сила которой основана на делении ядер урана. Среди тех, кто особенно испугался перспективы обретения Гитлером ядерного оружия, оказались Энрико Ферми, перебравшийся в Штаты из Италии под властью Муссолини, Юджин Вигнер, Лео Силард и Эдвард Теллер, все эмигранты из Венгрии.

Два месяца спустя после заявления Бора Ферми встретился с офицерами ВМФ в Вашингтоне. Летом Силард, которого поддержали Вигнер и Теллер, предупредил Альберта Эйнштейна, и тот отправил знаменитое письмо президенту Франклину Рузвельту.

Если учесть угрозу со стороны нацистов и возможность того, что Штаты окажутся вовлечены в войну, кто знал – может быть, правительство США упросит физиков, занимающихся квантовыми проблемами, оставить абстрактные гипотезы и взяться за военно-прикладные исследования?

Неофициальный портрет Джона Арчибальда Уилера в институте теоретической физики Нильса Бора в Копенгагене, середина 1930-х годов

(AIP Emilio Segre Visual Archives, Wheeler Collection).

Работая вместе с Бором, Уилер стал настоящим экспертом в области ядерного распада, и его наверняка приставили бы к делу в том случае, если Америка втянется в конфликт. Их совместные исследования начались пятью годами ранее, осенью 1934-го, когда Уилер посетил институт Бора.

Он только что защитил диссертацию в университете Джонса Хопкинса под руководством американского физика австрийского происхождения Карла Херцфельда и завершил постдиссертационное исследование в Нью-Йоркском университете под началом Грегори Брайта, поэтому был полон рвения раскрыть все тайны атомного ядра. Уилер видел в ученичестве у Бора, признанного корифея квантовой физики, привлекавшего ученых со всего мира, идеальный способ обрести необходимый опыт.

В Копенгагене он оставался до июня 1935-го и занимался взаимодействиями между ядрами и космическим излучением (энергетическими частицами из космоса).

Тот стиль, в котором вел исследования Бор, оказал значительное влияние на Уилера. Датский ученый говорил тихо и неразборчиво, но умел ставить вопросы так, чтобы взглянуть на предмет изучения с совершенно новой стороны. Как вспоминал Уилер, «Бор применял этот зондирующий подход ко всему, желая добраться до сути дела и испытать феномен вплоть до его самых последних пределов»13.

Вернувшись из Европы, Джон с удовольствием проработал три года в университете Северной Каролины (Чапел-Хилл), после чего получил место доцента в Принстоне осенью 1938 года. Даже до заявления Бора о немецкой ядерной программе времена тогда были тревожные, и на Хэллоуин того года Орсон Уэллс разыграл свою знаменитую мистификацию с марсианским вторжением у селения Грувс-Милл; передача шла по радио, и это вызвало настоящую панику.

Такая реакция публики отразила широко распространенный страх перед новым ужасным оружием. Когда несколькими месяцами позже Бор предупредил физиков на Вашингтонской конференции об открытии ядерного распада в Германии и о появившейся у нацистов возможности создать атомную бомбу, видения опустошающих террористических атак проникли в ночные кошмары очень многих людей.

Бор оставался в Принстоне с января по май 1939-го, и работал он в кабинете на одном этаже с Уилером в здании, которое тогда именовалось Файн-холл, а ныне называется Джонс-холл. Пытаясь разобраться с механизмом ядерного распада, ученые эксплуатировали боровскую жидкокапельную модель атома, гибкую схему, где ядро предстает чем-то вроде распухшего яичного желтка, который при сильном растяжении способен делиться. Трудясь вместе всю весну, они скрупулезно определили, в каких условиях может происходить распад, когда образец урана бомбардируют или быстрыми (высокоэнергетичными), или медленными (низкоэнергетичными) нейтронами.

Для различных изотопов (ядерных типов) урана Уилер нарисовал картинки энергетических барьеров, которые необходимо преодолеть нейтронам, чтобы проникнуть в ядро атома и разбить его. Он изобразил эти барьеры в виде холмов, на которые лыжник должен взобраться, чтобы достичь вершины и получить шанс на быстрый спуск.

Для наиболее распространенного изотопа, уран-238, холм оказался крутым, и тут требовались быстрые нейтроны – вроде лыжников, выступающих на Олимпиадах – чтобы добиться цели. Для куда более редкого изотопа, уран-235, барьер был намного ниже, его в состоянии пересечь даже медленные нейтроны, как обычные любители лыжных прогулок.

Таким образом Уилер и Бор сделали вывод, что уран-235 куда легче подвергнуть распаду, чем уран-238. Более того, они открыли, что искусственно созданный изотоп, именуемый плутоний-239, если его произвести в достаточном количестве, еще проще расщепить медленными нейтронами.

При этом в процессе распада появляются новые нейтроны, и при замедлении они могут спровоцировать распад других, соседних ядер, вызвав ядерную реакцию с контролируемым выделением энергии… или взрыв большой разрушительной силы.

Бор и Уилер опубликовали результаты в статье «Механизм ядерного распада», которая вышла из печати 1 сентября 1939 года, точно в тот день, когда началась Вторая мировая война в Европе и Адольф Гитлер вторгся в Польшу. Их находки оказались позже бесценными для Манхэттенского проекта, военной программы по разработке ядерной бомбы в США.

К осени Уилер оставил позади совместную работу с Бором и был полон желания внести свой персональный вклад в теоретическую физику. Он также надеялся стать внушающим уважение наставником, каким датский физик был для него. В картине идеального профессорства, которая сформировалась у него в голове, сочетались приватная сторона: глубокие размышления и тщательные расчеты, и публичная сторона: преподавание и работа со студентами.

Поддержание равновесия между ними требовало аккуратного обращения со временем, отсюда и часы на столе.

Тогда Уилеру было всего двадцать восемь, и он не мог знать, что у него есть почти семь десятилетий на то, чтобы ответить на вопросы вроде «Откуда возникает бытие?» (как он часто спрашивал в свои поздние годы). Пожилой Уилер наверняка посоветовал бы себе молодому расслабиться и получать удовольствие от преподавания. Но в тот момент, когда секундная стрелка бежала по кругу, отъедая от будущего минуту за минутой, Джон очень серьезно воспринимал задачу не отступить от расписания.

Превосходное легкомыслие

Кабинет Уилера, под номером 214, находился на втором этаже Файн-холла.

Здание получило имя от Генри Бернарда Файна, основателя математического факультета Принстона, трагически погибшего в 1928 году, когда его во время велосипедной прогулки сбила машина. Строительство корпуса оплатил друг Файна, Томас Д. Джонс, и по его плану создали настоящий храм математической науки.

Чуть позже сюда пустили физиков-теоретиков.

В каждом кабинете стены были обшиты дубовыми панелями, имелась грифельная доска, встроенные шкафы, а окна выходили на кампус, больше напоминавший парк. Сильный аромат осени встречался тут с запахом меловой пыли, когда профессора пытались описать мир природы снаружи с помощью многочисленных формул. Что и говорить, роскошное место, чтобы заниматься фундаментальными исследованиями.

Сам Джонс, математик Освальд Веблен и остальные постарались создать максимально дружественную атмосферу. Преподаватели собирались в уютной чайной и обсуждали самые разные идеи – она занимала пространство над кабинетами второго этажа. Над камином в чайной красовалась высеченная в камне фраза на немецком, взятая из лекции Эйнштейна: «Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht» («Господь Бог изощрен, но не злонамерен»). Изречение отражало веру Эйнштейна в то, что хотя поиск точных уравнений в теоретической физике извилист и может изобиловать поворотами и тупиками, но природа все же не так жестока, чтобы скрыть окончательное решение.

Градуэйт-колледж, Принстон. Фото Пола Халперна

Угловые лестницы и пересекающиеся коридоры тоже не пустовали. Профессора и студенты часто появлялись на третьем этаже, где просторная библиотека содержала тысячи томов, посвященных физике и математике. Иногда они отправлялись на первый, чтобы посетить тот или иной семинар в центральном лекционном зале. Или, как Бор и Уилер во время совместной работы, они прогуливались по коридорам второго этажа, глубоко погруженные в беседу.

Как и задумывалось, строение в целом пульсировало, пропуская через себя потоки исследователей: вверх, вниз, горизонтально.

Чтобы сотрудничество между физиками и математиками шло без затруднений, галерея вела в лабораторию Палмера, главное здание физического факультета, где проводились и исследования, и учебные занятия. Учитывая факт, что для оборудования нужно много места, лаборатория Палмера была гораздо больше, чем Файн-холл.