Книга Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни - Леонард Млодинов

Одним оказался «Характер физических законов» некого Ричарда Фейнмана – что-то я о нем слышал. То были записи его лекций, прочитанных в 1960-е. Я принялся за эту книжку. В ней объяснялись принципы современной физики, особенно квантовой теории, без применения математики.

«Квантовая теория» на самом деле – не одна конкретная теория, а их тип. Квантовой называется любая теория, основанная на «квантовой гипотезе», которую открыл миру Макс Планк в 1900 году; она гласит, что некоторые количественные свойства материи – энергия, например, – могут иметь лишь определенные дискретные значения. Допустим, на любой высоте над поверхностью земли ваше тело располагает так называемой гравитационной потенциальной энергией. Это энергия, которая выделится при вашем ударе о землю, если вы упадете с этой высоты (с нулевым сопротивлением воздуха). В квантовой теории гравитации ваша гравитационная потенциальная энергия не может иметь любое значение, а лишь одно из дискретного набора значений энергии. Есть даже минимально возможная энергия, соответствующая пребыванию на малюсенькой высоте над поверхностью земли. Недавно это значение определили в эксперименте с нейтронами: для них минимальная энергия соответствует высоте примерно пяти десятитысячных дюйма. Даже если бы у вашей линейки были деления соответствующей точности, вы бы вряд ли различили такое расстояние. Но при изучении объектов типа нейтронов, атомов или их ядер квантовые эффекты, тем не менее, важны.

Теории, не учитывающие квантовую гипотезу Планка, называются классическими. Очевидно, до 1900 года такими были все физические теории. По большей части, классические теории вполне применимы, пока дело не доходит до особенностей поведения в масштабах атомов или еще мельче. Оказалось, что именно этим масштабам большинство физиков посвятило следующие сто лет.

Первые несколько десятилетий XX века физики разбирались со следствиями квантовой гипотезы Планка. Одно из них – знаменитый принцип неопределенности, согласно которому в природе есть некие пары количественных характеристик, чьи значения нельзя определить одновременно. К примеру, если определить положение тела с большой точностью, не удастся узнать его точную скорость. Опять же, для большинства предметов, с которыми мы сталкиваемся в повседневности, эти ограничения незаметны, однако для составляющих атома возникающая разница громадна.

Другое следствие квантовой теории физики называют корпускулярно-волновым дуализмом; это означает, что при определенных обстоятельствах частицы вроде электронов демонстрируют волновые свойства – и наоборот. Если, допустим, выстрелить очередью электронов по узенькой щели в стене, они, проходя через нее, оставят на стене картинку из расходящихся кругов, как водная волна, проходящая через небольшое отверстие. А если проделать в стене две щели, можно будет увидеть интерференционные круги – в точности такие же, какие видно при пересечении двух водных волн. Электрон как волна – это частица, размазанная в пространстве, электрон, который ведет себя как колыхание некой вездесущей субстанции, а не как конечный объект. С другой стороны, корпускулярно-волновой дуализм говорит нам, что в некоторых обстоятельствах волны энергии ведут себя как частицы. Пример – свет. Столетиями он был нам известен как волна – вспомним, как он изгибается, проходя сквозь линзу, или как расслаивается в призме. Но он же может вести себя как частица, то есть конечный, локализованный в пространстве объект, который мы называем фотоном. Это представление о свете оказалось ключевым для понимания фотоэлектрического эффекта: некоторые металлы при бомбардировке фотонами испускают электроны. Эйнштейн первым признал квантовую гипотезу фундаментальным физическим законом и объяснил в этих понятиях некоторые таинственные свойства фотоэлектрического эффекта в своей знаменитой статье 1905 года. (Именно за эту статью, а не за противоречивые теории относительности Эйнштейн получил в 1921 году Нобелевскую премию.)

Ныне мы располагаем квантовой версией старых классических теорий: есть квантовая электродинамика, а еще и новые квантовые теории, описывающие силы, не известные в планковские времена, – квантовая хромодинамика, к примеру. Но имеется все-таки одно исключение из этой «квантизации»: гравитационная теория. Никто пока не понял, как встроить квантовую гипотезу в Эйнштейнову теорию гравитации, именуемую общей теорией относительности.

Квантовая механика – мир, поражающий воображение. Я, естественно, ею интересовался, однако всегда считал описания из учебника сухими и техническими. Фейнман сделал их удивительными и волшебными. Я был потрясен. И хотел добавки.

В той же библиотеке нашлось еще три книги Фейнмана – трехтомник «Фейнмановских лекций по физике», обзорный курс для колледжей, который он читал в Калтехе. Был в книге и портрет автора – снимок в движении, а на нем – счастливый малый, играющий на бонгах. Те книги оказались не похожи ни на один учебник из всех, что мне попадались раньше: они были непринужденны и забавны, казалось, что Фейнман – тут, рядом и говорит именно с тобой. Рассуждения о механике включали Ньютона – а также Оболтуса Денниса[1]. Раздел по кинетической теории газов включал вопросы фасона «Зачем мы вообще с этим возимся?». В главах о свете автор рассуждал о «кое-каких очень интересных вещах, касающихся зрения пчелы». Но Фейнман не просто делал физику чарующей. В его устах – без единого слова об этом – физика звучала важной. Так, будто физик, вооруженный идеей, мог единолично изменить мир и воззрения людей на него. Я поймал себя на размышлениях о задачах и идеях из книг Фейнмана, ведя трактор, груженный куриными яйцами, выпасая скот или чистя картошку в общинной кухне.

Приземлившись в Чикаго тем летом, я решил, что желаю изучать физику.

Признав за книгой столь значимое влияние на меня, киббуц разрешил мне забрать «Характер физических законов» с собой – в обмен на старые джинсы. Ближе к концу книги Фейнмана я подчеркнул абзац: «Нам очень повезло жить в эпоху, когда все еще можно делать открытия. Это как с открытием Америки – получится лишь раз. Время, в которое мы живем, – время открытия фундаментальных законов природы, и больше оно не повторится». Я пообещал себе, что когда-нибудь тоже сделаю открытие. И что когда-нибудь познакомлюсь с профессором Фейнманом.

III

Осень 1981 года. Много воды утекло после моей израильской поездки. У меня возникла еще одна специальность – физика, я окончил вуз, отправился в аспирантуру в Беркли и там получил докторскую степень. На выпускной пришли мои родители. То было последнее событие в моей жизни, на которое мы собрались всей семьей. Детству конец.

Из-за всяких формальностей, связанных с моей диссертацией, а именно – необходимости ее написать, – я прибыл в Калтех, сильно опоздав к началу семестра. Калтех – частный колледж, и ему удалось избежать бюджетных сокращений, которые устроил государственным вузам, особенно Беркли, Роналд Рейган – прежде чем вырос из губернатора в президенты. В Калтехе на каждого студента и сотрудника приходилось больше денег, чем в любом другом колледже страны. И оно было видно. Академгородок – красота и безмятежность. Да и велик он был, если учесть, что учащимся в Калтехе счет шел всего на сотни. Академгородок в основном располагался компактно, несколькими кварталами, в стороне от городских улиц. Широкие дорожки вились меж ухоженных клумб, кустарников и узловатых седых олив к приземистым зданиям, многие – в средиземноморском архитектурном стиле. Здесь всё продумали для покоя и защищенности, чтобы можно было с легкостью забыть о внешнем мире и сосредоточиться на своих замыслах.