Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

Когда Фейнман приехал в Корнелл, им обоим было по 29 лет, но тогда как Фейнман был занят преподаванием одной из ординарных дисциплин (математические методы в физике), Швингер сразу стал профессором Гарварда, самым молодым из когда-либо преподававших в этом университете. Его лекции по ядерной физике пользовались популярностью в среде его коллег не только из Гарварда, но и из соседнего МТИ.

Падение и подъем

Жизнь нанесла Фейнману новый удар 8 октября 1946 года. Прошло около полутора лет после смерти его жены, и у его отца, Мелвилла, случился сердечный приступ. Однажды ночью, девять дней спустя, находясь в глубокой депрессии, Фейнман схватил ручку и лист бумаги и написал единственному человеку, который был в состоянии ему помочь, своей умершей жене:

«Я люблю тебя, моя дорогая.

Знаю, как тебе нравится это слышать, но я пишу не только затем, чтобы порадовать тебя. Я пишу потому, что и сам таким образом получаю утешение. [...] Мне сложно понять, что означает любить тебя, после того как ты умерла, но я до сих пор хочу утешать тебя и заботиться о тебе; хочу, чтобы ты любила меня и заботилась обо мне. Я хочу иметь возможность обсудить с тобой свои проблемы, планировать с тобой всякие мелочи. [...] Когда ты заболела, ты переживала, что не сможешь подарить мне то, о чем мечтала и что казалось тебе необходимым для меня. Не нужно было переживать. Как я тебе тогда объяснил, этого не требовалось, так как я очень тебя любил. И я до сих пор уверен: пусть ты больше ничего не сможешь мне дать, но я тебя обожаю и из-за своих чувств к тебе не смогу полюбить кого-то другого, и я не желаю перемен. Пусть ты ушла, но все равно ты гораздо важнее, чем любая другая живая женщина. Я знаю, ты подумаешь, что я сошел с ума. Ты хочешь, чтобы я был счастлив, и не желаешь быть препятствием на моем пути. Держу пари, тебя удивило бы, что у меня не было никого (кроме тебя, мое сокровище), даже мимолетного увлечения, в течение двух лет. [...] Я не понимаю, почему так. Я встречал много очень милых женщин, и у меня нет цели остаться одному, но после двух-трех встреч становилось ясно: они для меня — пустое место.

Для меня остаешься только ты. Ты — реальна.

Моя дорогая жена, я тебя обожаю.

Я люблю свою жену. Моя жена умерла.

Ричи.

P.S.: прости меня, если я не отправлю это письмо, ведь я не знаю твой новый адрес».

Подавленный Фейнман выглядит чуть счастливей, чем кто-либо другой, полный энтузиазма.

Ханс Бете о Фейнмане, переживавшем смерть своей жены

Письмо, найденное впоследствии значительно истрепанным (Фейнман часто его перечитывал), скользнуло в конверт, а конверт — в ящик стола. Никто ничего не знал о нем до смерти физика. Оно никогда не было темой анекдотов, которые сопровождали Фейнмана всю его жизнь.

Фейнман чувствовал себя одиноким. Он проводил часть времени в библиотеке, читая «Книгу тысячи и одной ночи», и вел себя так, словно снова вернулся в свою юность: ел в студенческом кафе, участвовал в праздниках и вечеринках. Ничего удивительного в том, что девушки, которых Фейнман приглашал танцевать, смотрели на него с подозрением, когда он объяснял им, что был физиком и что недавно создал атомную бомбу... Тем не менее перед тем как покинуть Лос-Аламос, он стал походить на настоящего Казанову, всегда находясь в многочисленном обществе молодых красивых женщин.

Фейнману, который переживал худший период своей жизни, было особо нечего сказать в профессиональном плане, он потерял интерес к физике. Поэтому, когда он почти одновременно получил приглашения из университета Принстона и Института перспективных исследований, то сказал себе: «Они совсем с ума сошли». Ученый не понимал, почему он оказался востребованным, он даже не видел причины, по которой Корнелл принял его на работу. Уилсон посоветовал ему не волноваться, считая, что в данном случае рискует университет, а не Фейнман. «Если профессора должным образом проводят лекции, они выполняют свои обязательства»,— добавил он. Никто не отдавал себе отчет в том, насколько Фейнману было плохо.

И тем не менее настало время перемен. Однажды, когда он ел в студенческом кафе, он увидел, как летит тарелка:

«Когда тарелка летела и вращалась, я заметил на ней эмблему Корнелла. Тарелка вращалась и раскачивалась, и было заметно, что эмблема поворачивается быстрей, чем качается. Мне было скучно, и тогда я начал делать расчет, каким было бы движение тарелки при вращении».

Его интуиция подсказывала ему, что два движения должны быть связаны, и он начал играть с уравнениями. Он использовал лагранжев формализм, с которым был так хорошо знаком, и получил отношение 2 к 1 между скоростью вращения и качания. Так как ученый хотел решить задачу в рамках ньютоновской механики, определив все действующие силы и составив уравнение движения, он принялся за работу. Окончив работу, он показал свои результаты Бете, который заявил: «Все это очень хорошо, Дик. Но зачем это нужно?» На что Фейнман ответил: «Низачем. Я сделал это, исключительно чтобы развлечься».

Он снова загорелся страстью к физике:

«И я продолжал разрабатывать уравнения покачиваний. Затем я подумал о том, как орбиты электронов начинают двигаться в общей теории относительности. Затем уравнение Дирака в электродинамике. И уже потом — квантовая электродинамика. И, еще не осознав этого (понимание пришло очень быстро), я «играл» — в действительности работал — с той самой старой задачей, которую я так любил и которую забросил, когда уехал в Лос-Аламос».

Фейнман вернулся.

К бесконечности и дальше

Квантовая теория нуждалась в новых экспериментальных данных и новых теоретических идеях, способных вывести ее из того заторможенного состояния, в котором она пребывала вот уже 20 лет. Новые данные приходили из лабораторий, строивших циклотроны, первые ускорители частиц. Разогнанными частицами бомбардировали металлические пластины или газы. Результаты столкновений фотографировали благодаря детекторам под названием «пузырьковые камеры», способные регистрировать проход частиц. В 1936 году Принстон создал свой собственный ускоритель, стоимость которого была эквивалентна цене нескольких автомобилей. Что касается новых теоретических идей, то здесь ситуация была иная, так как идеи не падают с неба: они требуют долгих и напряженных размышлений. Чтобы выйти из тупика, в котором он находился с момента работы в Принстоне, Фейнман напряженно размышлял над своим квантовым уравнением. Он решил оставить Вселенной всего два измерения: пространственное и временное. Электрон мог перемещаться только вперед и назад по прямой линии, как утки, в которых целятся в тире на ярмарке. С помощью такого упрощения Фейнман хотел понять, можно ли, пользуясь способом, который он придумал в Принстоне, вывести одномерное уравнение Дирака. И у него получилось, но он решил не публиковать этот результат, воспринимая его лишь как знак, указывающий ему, что он был на верном пути.

Между тем, физиков-теоретиков все больше охватывало чувство бессилия. Вот уже 20 лет они бились над важной задачей, но были так же далеки от ее решения, как и в самом начале. Откуда возникало это ощущение? С тех пор как Дирак, с одной стороны, вывел релятивистское уравнение электрона, а с другой — разработал метод вторичного квантования электромагнитного поля, физики занимались всевозможными расчетами. В результате они обнаружили странный парадокс: самые простые приблизительные расчеты давали результаты, отлично подтверждающиеся экспериментальными данными. Но едва они углублялись в расчеты, стремясь к большей точности, как в уравнениях появлялись бесконечные величины. Такова была ситуация начиная с 1930-х годов, и никто не понимал, почему так происходит и как решить данную проблему.

Дирак сделал расчеты для электромагнитного поля, а немного позже Паскуаль Йордан углубил его исследование: он убедился, что все, начиная с электронов и протонов до электромагнитной силы, которая их держит вместе внутри атомов, в конечном итоге происходило из квантовых полей.

Свет не является субстанцией с мгновенным распространением, у него есть скорость, и она не бесконечна.

Ричард Фейнман. «Природа физики» (1965)

В этом же году Гейзенберг, который изучал последствия матричной механики, представил свое соотношение неопределенностей в статье под названием «О наглядном содержании квантовой кинематики и механики» в журнале Zeitschrift fiir Physik. Что мы получаем, соединяя работу Дирака и Йордана с работой Гейзенберга? Мы находим, что электромагнитное поле в действительности является источником виртуальных фотонов, которые возникают и исчезают, как мыльные пузыри, но которые невозможно наблюдать.

Виртуальные частицы предлагали физикам новые возможности для описания субатомных взаимодействий — но цена этого была достаточно высока. Ученые знали, что могли использовать эти инструменты, чтобы добавить корректировки в свои расчеты и получить более точные значения электродинамических величин анализируемой энергии электрона, рассчитанной в первый раз Гейзенбергом и Паули в 1929-1930 годах. Используя метод, известный под названием «теория возмущений», они всегда получали все более и более точный результат. Это же самое происходит, когда мы ищем какую-либо радиостанцию в приемнике: вначале амплитуда перемещения на шкале велика, но она постепенно уменьшается, когда мы находим передающую частоту. И самым большим сюрпризом было открытие, что в случае электродинамических расчетов чем более точное вычисление производилось, тем больше значение энергии электрона тяготело к бесконечности! В течение 1930-х годов аналогичные проблемы появились и с другими величинами, особенно в случае поляризации вакуума (см. рисунок).