Ричард Фейнман, любопытный

Если кто и мог говорить о физике увлеченно, страстно и страстно, так это Ричард Фейнман. Лекции американца известны во всем мире. Будучи физиком, он еще больше расширил недавно разработанную квантовую теорию квантовой электродинамикой. Кеннислинк спросил яркого физика, не хочет ли он объяснить это в «вымышленном интервью».

Вундеркинд, мальчишка, лауреат Нобелевской премии и национальный герой:Ричард Фейнман (1918–1988) был всем этим. Его вклад в физику – в области взаимодействий между мельчайшими существующими частицами – имел огромную ценность. Он безоговорочно любил физику и мог говорить о ней со страстью.

Фейнман был полон идей и многих забавлял своим живым видом. Он также был взломщиком сейфов, игроком на бонго и бабником. «Ученый-плейбой» участвовал в Манхэттенском проекте и раскрыл взрыв «Челленджера». Он очень хотел поговорить с Кеннислинком о своей впечатляющей карьере.

Г-н. Фейнман, какая честь говорить с вами! Нам следует просто игнорировать женщину, которая только что вышла из вашего номера в отеле? «Ха-ха, ну, Сейчас хорошо известно, что в моей жизни было много приключений. «Учёный-плейбой», как меня в шутку называли во время моего пребывания в Корнелльском университете. Я попадал в сомнительные клубы Лас-Вегаса, куда никогда не ходили профессора науки. Женщины регулярно ходили домой, да, у меня было много любовных отношений. Но теперь, когда я женат на Гвенет (его третья жена, ред.) ) моя жизнь спокойна. Моей первой и единственной по-настоящему большой любовью была Арлин. Она умерла слишком рано от туберкулеза».

В конце концов, вашей самой большой страстью всегда была наука. Откуда такая страсть? «Я получил это от моего отца Мелвилла. Он был полностью занят наукой. Когда моя мама Люсиль была беременна мной, он уже сказал:«Если родится мальчик, он станет учёным». Он сделал для этого все, что мог, хаха (широко смеется, красный.) ). Он научил меня всему о том, как устроена природа и что стоит за явлениями.

Он часто водил меня в музей, читал мне Британскую энциклопедию. и во время прогулок показывал всякое в природе. Мой отец никогда не заставлял меня стать ученым, но его приятные беседы мотивировали меня к науке. И так уж получилось, что у меня лучше всех получалось по физике (говорит он с усмешкой, ред.) ). Этот юмор мне передался от мамы."

Вы хорошо учились в школе по физике? «Да, в старших классах я уже брал уроки алгебры высшего класса в первом классе. Меня очень стимулировало получение знаний и решение проблем. Мне было очень любопытно даже тогда. Дома я рассматривал тварей под микроскопом или возился с приборами. Удовольствие, которое я получил от этого, было моим драйвом. открыть для себя мир.

В старшем классе средней школы меня преподавал Абрам Бейдер. После одного из уроков он подозвал меня и сказал, что хочет рассказать мне кое-что интересное. Он дал мне книгу по сложной математике и рассказал о принципе минимальных действий. Это всегда восхищало меня и легло в основу моей работы по квантовой электродинамике (КЭД)».

"Странная теория света и материи", как вы ее назвали. Можете ли вы рассказать нам, как вы начали? «Я писал докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте, и мой руководитель Джон Уилер поставил передо мной – как он это часто делал – проблему. Но на этот раз у меня было много проблем с этим. Речь шла о том, как электрон взаимодействует сам с собой. Эта проблема была актуальной, поскольку в то время люди искали квантовую теорию электричества и магнетизма. Смотрите, у Максвелла была классика . с его уравнениями описана ситуация электромагнетизма. Но теперь, когда в 1920-х годах только родилась квантовая механика — и стало очевидно, что такие частицы, как электроны и протоны, подчиняются совершенно иным законам, чем мы думали, — люди искали способ поместить электромагнетизм Максвелла в «квантовую оболочку». :квантовая электродинамика.

А как в это вписывается проблема взаимодействия электрона с самим собой? «Терпение, терпение. Я объясняю. Мой великий герой Поль Дирак сделал первый шаг к КЭД в 1928 году. Он разработал уравнение – уравнение Дирака – с помощью которого можно было описать взаимодействие заряда с электромагнитными полями, но таким образом, чтобы оно удовлетворяло специальной теории Эйнштейна. теории относительности и уравнение Шредингера, скажем, основную формулу для квантовых частиц. Проблема заключалась в том, что в некоторых решениях уравнения Дирака появлялись «бесконечности». Например, электрическая сила, действующая электроном на другую частицу, обратно пропорциональна его расстоянию от этой частицы. Но в самом электроне (мы описываем его как «точку») расстояние равно нулю, а сила стремится к бесконечности! Мы не могли этого сделать, поэтому, по словам Дирака, нам нужна была «радикально новая идея» взаимодействия электрона с самим собой».

Была ли у вас такая «радикально новая идея»? «Ну (неловко отводит взгляд, красный.) ) на самом деле. Я предположил, что электрон не оказывает влияния на себя, а только на другие заряды. Это, в свою очередь, привело к другим проблемам, которые сейчас слишком далеко идущие, чтобы их можно было объяснить. В общем, это заставило меня отказаться от концепции электромагнитного поля. У меня сложилось впечатление, что один заряд оказывает воздействие на другой заряд без поля между ними. Сила, так сказать, «на расстоянии». Вы все еще понимаете это? Я знаю, это тяжело, но держитесь!

Я провел математические расчеты со своим руководителем Джоном, и мы обнаружили, что наше представление о силе на расстоянии можно сформулировать в терминах «действия» — это кое-что говорит о том, сколько энергии стоит движение. Если заряд оказывает силу на другую частицу, то это всегда происходит с минимальным действием, так называется принцип минимального действия. Оказалось, что минимальное действие заряженной частицы — это всегда именно то движение, которое предсказывают уравнения Максвелла. Другими словами, мы сделали новое описание классической электродинамики, но не в терминах полей, а в терминах сил на расстоянии."

Ага, так теперь важно было сделать «квантовую версию» этого? «Точно, очень хорошо ! Это было нелегко, потому что, поскольку у меня было другое, нетрадиционное описание, я также не мог применить «обычные» правила квантования. Меня подтолкнула статья Дирака 1933 года. Это описывало математическую функцию, которая говорит, как изменяется квантовое состояние или, например, каково движение частицы. Потому что функция представляет собой примерно итого движение было частицей, а не только положением в конкретный момент, я мог бы это использовать.

Функция дает вероятность того, как изменится квантовое состояние, и какова вероятность того, что частица пойдет по определенному пути. Действие скрыто в этой вероятности. Помните этот термин? Теперь обратите внимание:вы можете что-то сказать об общем движении частицы — скажем, между двумя точками — если сложите вероятности для каждого возможного маршрута между этими точками. Я разработал математический способ сделать это — интеграл по путям. Теперь шутка такая:в классической ситуации интеграл по траектории рассчитывает движение с минимальным действием. В «квантовой ситуации» у вас есть шанс, что частица совершит определенное движение. Эта формула эквивалентна уравнению Шредингера, и ее также легче вычислить!"

Давайте вникнем. Вам также пришлось отказаться от этой темы после защиты докторской степени из-за Манхэттенского проекта. В нашей серии Альберт Эйнштейн и Нильс Бор заявили, что хотят как можно меньше иметь дело с Манхэттенским проектом. Вы полностью сотрудничали. Расскажи мне об этом периоде. «На самом деле я не хотел участвовать, когда Роберт Уилсон попросил меня провести секретное расследование атомной бомбы. Я хотел сосредоточиться на диссертации, а Арлин сильно заболела. Но когда я подумал об идее, что немцы разработают атомную бомбу, мне она настолько не понравилась, что я решил присоединиться.

Я переехал в Лос-Аламос в марте 1943 года. Кстати, у меня есть интересная история на этот счет. Нам посоветовали не покупать билет на поезд на вокзале в Принстоне. Ведь многие ящики с оборудованием и инструментами уже были отправлены оттуда в Лос-Аламос и мы не хотели рисковать, что к этому – незначительному – месту будет привлечено слишком много внимания. Но я подумал:если все будут этого придерживаться, я без проблем смогу купить билет в Принстоне. На что женщина за прилавком сказала мне:«О, тогда весь этот материал твой!»

В любом случае, я поместил Арлин в больницу в Альберкерке, примерно в 150 километрах от Лос-Аламоса. Я навещал ее каждые выходные и каждый день отправлял письма. Это было хорошим отвлечением от работы. Моя работа в Лос-Аламосе была разнообразной:расчеты и модели, сборка или ремонт машин. Я также столкнулся с проблемой выявления слабых мест в организации проекта. Я занимался взломом сейфов, благодаря чему меня вскоре прозвали грабителем!"

Летом 1945 года происходит испытание «Тринити» — успешное испытание атомной бомбы. Вы были там? — Да, но как раз вовремя. Арлин, к сожалению, скончалась месяц назад. Я был в отпуске, но тут Ганс Бете (руководитель его отдела, ред.) ) Услышав, что ребенок родится, я немедленно поехал обратно в Лос-Аламос. Мы поехали на автобусе в точку – нулевую точку – чтобы посмотреть взрыв. Все надели солнцезащитные очки, кроме меня. Я спрятался за джипом. Таким образом, я мог видеть невооруженным глазом огромную оранжевую сферу и вспышки света из центра.

Этот тест стал первым моментом, позволяющим убедиться в правильности наших прогнозов. Выброс был огромный. Обрадовалась, что наша работа не прошла напрасно. Я не мог удержаться от того, чтобы яростно стучать в бубен, напряжение стало почти слишком большим!"

Разве вы не ненавидели то, что построили? «В то время я был очень рад тому, что тест пройден, но когда я увидел результат в Японии, мне было очень грустно. Я страдал от этого долгое время. Я представил, какие будут последствия, если такая бомба упадет на Нью-Йорк, ужасные».

Вот и война, вернемся к квантовой физике. Вы начинали профессором Корнеллского университета и снова продолжили обучение? «Действительно, я совмещал свои исследования с преподаванием – и это мне очень нравилось! Я как раз писал статью о своем методе интегралов по траекториям, когда на острове Шелтер прошла конференция. Я присутствовал на многих конференциях, но ни одна из них не была столь важной, как эта. Здесь Уиллис Лэмб и Исидор Раби представили эксперименты, которые показали, что теория Дирака в определенной части не совсем верна.

«Я знал, что смогу решить эту проблему с помощью своего метода, но я раньше не применял свой метод к обычной электродинамике, основанной на полях. Мне потребовалось несколько месяцев упорной работы, и тогда у меня была полная теория на бумаге. Я также смог объяснить новые экспериментальные результаты Лэмба и Лави. Я просто еще не опубликовал это. К сожалению, оказалось, что я был не единственным, кто нашел удачное решение!»

Кто был вашим конкурентом? Джулиан Швингер, широко известное в то время имя, – в отличие от меня – разработал новую формулировку КЭД, основанную на обычной теории поля. Он представил ее на конференции в 1948 году. Однако в ней был один небольшой недостаток, и я имел смелость указать ему на это. По моей теории это было правильно. Вы видели, как зрители думали:что этот придурок думает о «великом Джулиане Швингере»?

Я представил свой метод на последующей конференции, но допустил ошибку, уделив слишком много внимания математическим аспектам. Они были настолько нетипичными и еще не до конца совершенными, что общественность не убедилась. Пока:Мне удалось вывести правила из моей теории, с помощью которых можно было очень легко рассчитать явления в КЭД, такие как взаимодействие между электронами и фотонами. Мне нужен был способ прояснить это».

Вы получили помощь из неожиданного источника… «От моего коллеги Фримена Дайсона! Он увидел, что маленькие рисунки, которые я использовал в своих статьях – диаграммы – очень подходят для наглядного представления составленных мной правил. Используя эти диаграммы, любой может легко рассчитать КЭД. Благодаря Дайсону это стало известно всем, он пропагандировал это на каждом съезде! К счастью, потому что появилась третья формулировка КЭД, предложенная японцем Синитиро Томонагой. В конце концов мы трое — Швингер, Томонага и я — были удостоены Нобелевской премии за описание КЭД».

Диаграммы Фейнмана значительно упростили расчет процессов в КЭД, таких как влияние поля на частицу. На диаграмме стрелки представляют частицы, а волны, завитки или тире представляют силы. Взаимодействие происходит в узлах. На рисунке слева время идет снизу вверх. Он описывает процесс, в котором два электрона обмениваются фотонами:один электрон излучает фотон, который поглощается другим электроном.

Помимо своих исследований, вы получили международную известность благодаря своему энтузиазму в преподавании. «Образование было большой страстью. Вы знаете:лекторий — это своего рода театр, и как профессор вы — актер. Вы должны развлекать свою аудиторию. Но мое удовольствие заключалось не в том, чтобы сделать захватывающее зрелище, я хотел передать любовь к своей профессии. Сделать этих молодых людей такими же любопытными, как и я! Я искал конкретные примеры. В книгах часто содержались определения, которые студенты запоминали. Но понимали ли они, как это применить? Ну нет! Вы ничему не научитесь, изучая имена и определения, главное — знать, что что-то делает».

Ваш метод прижился. Ваши занятия в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) не скоро забудутся. «Это было очень весело. Мэтью Сэндс, коллега из Калифорнийского технологического института, захотел улучшить учебную программу по физике и попросил меня вести для студентов новый, современный курс. В этом Лекции по физике Я попытался представить это по-своему. Лекции представляли собой зрелище и могли рассчитывать на большую аудиторию. Я рассматривал это как эксперимент. Не думаю, что мне удалось лучше подготовить студентов к экзамену, но моей целью было научить их ценить чудеса природы».

Вы станете национальным героем, работая в комитете, который расследует причину столь трагической катастрофы космического корабля «Челленджер» в 1986 году. Как это было? «Сначала я отказался участвовать. Я никогда не хотел иметь ничего общего с правительством. Но по настоянию друзей и Гвенет я все равно решил поработать четыре месяца. Это был неприятный опыт. Я столкнулся с миром, полным лицемерия, лжи и нечестных политиков. К счастью, мне удалось добраться до сути проблемы:резиновых колец, закрывавших трещины вокруг ракетных двигателей.

Утром перед запуском было так холодно, что резина стала менее гибкой, чем обычно. Во время запуска резина не могла достаточно заполнить трещины, и через них могли выйти чрезвычайно горячие выхлопные газы. Когда они вступили в контакт с ракетным топливом, космический челнок взорвался.

Во время пресс-конференции мне удалось продемонстрировать этот принцип с помощью простого эксперимента, который все могли увидеть. Они хотели завершить работу слишком быстро, чтобы соответствовать требованиям безопасности. Но если технология хочет добиться успеха, реальность должна восторжествовать. Природу не обманешь."

Наконец, вам понравилось играть на бонго. Хотите сыграть для нас пьесу? «Конечно! Вот и все…»