Книга Наука. Величайшие теории. Выпуск 6. Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Ангел Сабадел

Первые шаги к атомной бомбе

Американский физик венгерского происхождения Лео Силард (1898-1964) стал первым ученым, серьезно задумавшимся над созданием атомной бомбы. Эта идея пришла к нему после того, какой прочитал научно-фантастический роман Герберта Уэллса «Освобожденный мир». В 1933 году, стремясь избежать нацистского преследования, он приехал в Лондон, где в The Times ему попался отчет об одной конференции, организованной Эрнестом Резерфордом, во время которой тот отрицал возможность использования атомной энергии. Силард был уверен, что Резерфорд ошибается.

Он чувствовал, что однажды станет возможно использовать энергию, скрытую в атоме, с помощью управляемой цепной реакции (процесса деления ядер, который, будучи однажды запущенным, начинает поддерживать сам себя).

Во время своей первой попытки управлять цепной ядерной реакцией Силард использует бериллий и индий, но безуспешно (цепная реакция не началась). В1936 году, чтобы сохранить свою работу в секрете, он уступает патент на реакцию британскому адмиралтейству. Затем, в 1938 году, он принимает предложение Колумбийского университета продолжить свои исследования по данной теме и переехать жить в Нью-Йорк. Уже там он знакомится с итальянским физиком Энрико Ферми.

Эта встреча произошла в то время, когда немцы Ган и Штрассман объявили о первом удачном расщеплении атома. В1939 году Ферми и Силард доказали возможность развития в уране самоподдерживающейся ядерной реакции. После этого Силард сказал: «Этой ночью я убедился, что миру вскоре предстоит пережить свои самые ужасные времена».

Лео Силард, возможно первый ученый, который всерьез поднял тему создания атомной бомбы.

Как и в случае с Вигнером, Принстон предложил ему работу, чтобы начать программу по ядерной физике. Обладатель незаурядного ума, он стал наставником целого поколения физиков, которые внесли огромный вклад в космологию и теорию относительности. И, между прочим, термин черная дыра придумал именно он.

В 1939 году Джон Уилер — это молодой сероглазый профессор с внешностью и манерами джентльмена. Фейнман являлся его ассистентом и заменял своего учителя, когда тот отсутствовал, сначала на лекциях по механике, затем — по ядерной физике. Каждую неделю они собирались, чтобы подвести итоги и проанализировать свою исследовательскую работу. Понемногу их отношения наставник-ученик переросли в отношения коллег. В это время физика частиц еще не была популярна. Как доказательство можно привести решение организаторов конгресса физиков-теоретиков, который должен был пройти в Вашингтоне в 1940 году и для которого необходимо было определить тему: поколебавшись между элементарными частицами и внутренним устройством Земли, они окончательно склонились ко второму.

Несмотря на все это Фейнман знал, что он интересуется очень перспективной областью. Читая книгу Дирака по квантовой механике, он был поражен охватившим его чувством: слишком многое оставалось неизведанным, требовались новые идеи. Дирак и другие пионеры квантовой электродинамики (отрасль науки, которая изучает связь между электричеством, магнетизмом, светом и материей) не могли дать ответы на все вопросы, и теория оставалась неполной. Вскоре Фейнман тоже отправится в путешествие по этому пути.

Неоконченное путешествие

Квантовая теория достигла своего расцвета в 1924-1927 годах, но ей предстоял еще очень долгий путь. Ученые еще не слишком хорошо представляли себе, как использовать принцип неопределенности Гейзенберга или волны материи де Бройля. Также было непонятно, как включить теорию относительности Эйнштейна в эту уже частично собранную мозаику.

Институт физиологии в Брюсселе организовал пятый Сольвеевский конгресс (его основная тема называлась «Электроны и фотоны»), открывшийся в понедельник 24 октября 1927 года. Речь идет о самом значимом конгрессе новейшей истории физики: 17 из 29 присутствующих ученых уже получили или получат в скором времени Нобелевскую премию. Название конференции не отражало настоящей цели конгресса: открыть дорогу квантовой физике.

Именно во время этого конгресса Эйнштейн, который не желал отказываться от детерминизма, произнес свою знаменитую фразу: «Бог не играет в кости». На что Бор ответил: «Кто вы такой, Эйнштейн, чтобы говорить Богу, что он должен делать?»

Природа сама не знает, какой путь выберет электрон.

Ричард Фейнман

На этом историческом собрании также присутствовал молодой 25-летний британский физик Поль Адриен Морис Дирак. Бесконечные философские дискуссии по поводу интерпретации квантовой теории его не тронули. Что было и не удивительно: Дирак был образцом неразговорчивого и замкнутого английского студента. Молчаливый и несловоохотливый (его друзья даже придумали «дирак» — единицу минимума слов, которые могут быть произнесены в разговоре), он работал все дни в одиночестве, кроме воскресенья, когда он выходил на прогулку... один. В 1926 году ему удалось объединить в одном уравнении волновую механику Шрёдингера и матричную механику Гейзенберга, но ему хотелось добиться чего-то большего. Дирак испытывал такое увлечение теорией относительности Эйнштейна, что поставил себе новую задачу: получить релятивистское уравнение квантовой механики. Он безуспешно посвятил два года данному исследованию. Во время Сольвеевского конгресса молодой ученый поделился своими намерениями с Бором. Тот сообщил ему, что Клейн уже опередил его. Дирак знал, что это не так, но у него не было возможности объяснить это Бору, поскольку конференция, в которой они принимали участие, началась.

Однако разговор с Бором убедил Дирака в необходимости ускорить работу. Надо сказать, что он был в большей степени математиком, нежели физиком, и поэтому подошел к вопросу как к математической задаче, а физическую интерпретацию оставил на потом. Проблема состояла в следующем: в теории относительности время входит в уравнения на тех же основаниях, что и три измерения (х, у, z; то есть длина, высота и ширина), и таким образом является четвертым измерением. Шрёдингер же не рассматривает время как одно из измерений, поэтому его уравнение не является релятивистским. Уравнение Клейна - Гордона устраняло это противоречие, но оно не было способно объяснить спектр атома водорода. К тому же оно не учитывало новую характеристику электрона, предложенную Вольфгангом Паули (который уже в 18 лет был признанным специалистом по теории относительности), чтобы объяснить результаты, полученные экспериментальным путем Отто Штерном и Вальтером Герлахом в 1922 году: спин (см. рисунок). Чтобы сделать данное понятие более наглядным, можно представить электрон маленькой сферой, которая вращается вокруг себя подобно планетам: это вращение и понимают под спином. Но на этом вся аналогия и заканчивается, так как если оборот одной планеты может иметь любое значение, то спин электрона может принимать всего два: +½ и -½.