Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана

Было непонятно, каким может быть электрон — фундаментальная частица с отрицательным зарядом. В тот период современное представление об электроне еще не вполне сформировалось, хотя в наше время многие школьники могут непосредственно на своих столах проводить эксперименты, которые демонстрируют, что электрический заряд дискретен, то есть заряд любого тела кратен заряду электрона. Но все же, что представляет собой электрон? Вильгельм Рентген, обнаруживший существование высокоэнергетических лучей, названных впоследствии его именем, запретил использовать это неожиданно получившее распространение слово в своих лабораториях еще в 1920 году. В трудах по квантовой механике ученые пытались описать заряд электрона, его массу, импульс, энергию или спин почти в каждом новом уравнении, однако хранили молчание по поводу самой его природы. Особенно остро стоял вопрос: был ли он частицей, имеющей конечные размеры, или бесконечно малой точкой? В модели атома Нильса Бора, уже устаревшей к тому моменту, предполагалось, что электроны, как миниатюрные планеты, вращаются вокруг ядра. Теперь же казалось, что электроны скорее являются гармоническими колебаниями. В некоторых формулировках электрон больше походил на волны, причем волна представляла собой распределение вероятностей их возникновения в конкретном месте в конкретное время. Но возникновение чего? Объекта, элемента, частицы?

Даже до появления квантовой механики классическое представление об электроне вызывало сомнения. Из уравнения, описывающего зависимость энергии (или массы) и заряда электрона и в которое входит еще один параметр — его радиус, следует, что с уменьшением размера электрона его энергия должна возрастать, подобно тому, как давление молотка, сосредоточенное в острие гвоздя, по которому он бьет, увеличивается до тысячи килограммов на квадратный сантиметр. Кроме того, если представлять электрон в виде крошечного шарика определенного размера, то возникает вопрос: почему он не разрушается под воздействием собственного заряда, какая сила удерживает его от этого? Оказалось, что физики манипулируют величиной, называемой «классический радиус электрона». Слово «классический» в данном контексте было своего рода прикрытием. Проблема заключалась в том, что при использовании альтернативного варианта, в котором электроны считаются бесконечно малыми точками, уравнения электродинамики не решаются: при делении на ноль получается бесконечность. Бесконечно маленькие гвозди, бесконечно сильные молотки.

В некотором смысле уравнения оценивали воздействие заряда электрона на самого себя, то есть его «собственную энергию». Это самовоздействие постепенно возрастало при приближении к центру электрона, но было непонятно, что будет, если в расчетах достичь центра электрона. Когда расстояние до центра становилось равным нулю, величина воздействия становилась равной бесконечности. Это казалось невозможным. Волновое уравнение квантовой механики только все усложняло. Чтобы избежать деления на ноль, которое во время учебы в школе вызывает ужас у учеников, физики задумались о создании уравнений, которые позволили бы выйти за пределы этих ограничений, ведь они суммировали бесконечное множество длин волн, бесконечное множество колебаний поля. Но даже тогда Фейнман не до конца понимал эту формулировку задачи, связанную с бесконечностью. Иногда, при решении достаточно простых задач, физикам удавалось получать разумные ответы, если они считали целесообразным отбрасывать те части уравнения, которые расходились с результатами. Как заметил Дирак в выводах к своей работе «Принципы квантовой механики», бесконечности в уравнении означали, что теория была фатально ошибочной. Появилось ощущение, что необходимы принципиально новые физические идеи.