Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

Однажды утром 1942 года Роберт Р. Уилсон вошел в рабочий кабинет Фейнмана. Этот физик-экспериментатор прибыл в Принстон для работы над методом разделения изотопов нужного физикам урана-235 и неиспользуемого урана-238. Он собирался сообщить Фейнману секретную информацию о своей работе: нужно было, чтобы ученый произвел теоретические расчеты, и получить его согласие можно было только в случае детального изложения проблемы.

Фейнман хотел закончить свою диссертацию. Это являлось одним из условий, которые он поставил перед собой до свадьбы. Ему казалось, что предложение Уилсона было больше связано с проблемой инженерии, чем физики, и вначале Фейнман хотел отклонить его. Однако шла война: поскольку у ученого не было уверенности, что в армии он будет заниматься своим делом, он предпочел не поступать на службу. Теперь ему предлагали возможность принять участие в чем-то большом и важном: поэтому он согласился отложить свою докторскую диссертацию и принялся за работу.

Я хочу жениться на Арлин, потому что я ее люблю, и для меня это означает, что я стремлюсь заботиться о ней. Это все, что я могу сказать: я хочу окружить ее заботой. [...] Однако у меня есть и другие жизненные цели и желания. Между прочим, я мечтаю внести свой ощутимый вклад в физику. На мой взгляд, это даже важнее, чем моя любовь к Арлин.

Фейнман о своем браке с Арлин Гринбаум

В то самое время Уилер переехал в Чикаго, чтобы работать с Энрико Ферми над созданием ядерного реактора, способного поддерживать управляемую цепную реакцию деления: это был первый шаг к пониманию неуправляемой реакции, ведущей к взрыву бомбы. Вигнер тоже проводил все больше и больше времени в Чикаго, и весной 1942 года оба профессора пришли к согласию, что их блистательный студент должен сначала закончить свою диссертацию, прежде чем запутается в методах разделения изотопов урана. Давление наставников имело ожидаемый эффект.

Фейнман очень хорошо знал, что он совершил: он заново изобрел квантовую механику, исходя из принципа наименьшего действия. Но он также знал, чего он не сделал, и этому он посвятил последнюю главу своей диссертации. Во-первых, его работа не содержала никакой ссылки на экспериментальную проверку, так как его формула была полностью не релятивистской. Создание квантовой электродинамики, исходя из формулы Лагранжа, требовало работы, которую он не выполнил.

Во-вторых, его больше интересовала физическая интерпретация этой новой формулы. Фейнман отлично знал: один из самых яростных споров, который вели физики в последние десятилетия, был посвящен тому, что называли «проблемой измерения». Общепринятой точкой зрения была копенгагенская интерпретация, в правоте которой Бор убедил большое количество физиков (за исключением Эйнштейна) и которая гласила, что мы живем в мире, где свойства микрообъектов не существуют, пока они не измерены: поэтому невозможно отделить исследуемый объект от наблюдателя.

Фейнман вел дискуссию по этому поводу с математиком Джоном фон Нейманом. Суть дискуссии заключалась в следующем. Известно, что наблюдение требует наличия двух вещей: лабораторного инструмента и электрона, или, если быть более точным, большой макроскопической системы, существующей по законам классической физики, и микрообъекта, подлежащего квантовой механике. Где находилась граница между этими двумя объектами? Фон Нейман утверждал, что каждый должен был решить по своему усмотрению, где выбрать место для этой границы. Фейнман находил данное предложение спорным и неприемлемым. Если квантовая механика была описанием реальности, то разделение должно было возникнуть естественным образом и ни в коем случае не могло зависеть от чьих-то желаний.

Математический инструмент, предложенный Фейнманом в 1948 году, который он назвал «интеграл по траекториям», позволял разделить систему на различные части: изолировать область системы, которую нужно измерить, от других областей, не представляющих интереса. Этот метод, недоступный для обыкновенных уравнений квантовой механики, казался математическим каламбуром, но не будем обманываться: именно с его помощью появились многие великие достижения XX века в теоретической физике.

Фейнман знал, что проблемой его формулы было время, так как она должна была «рассказать о состояниях системы, иногда очень удаленных от настоящего момента». Найти физическую интерпретацию для данной формулы означало провести титаническую работу. Ученого выводило из себя то, что он не мог этого сделать. Как бы там ни было, в июне он представил свою диссертацию «Принцип наименьшего действия в квантовой механике». А несколькими днями позднее Фейнман сообщил своей семье, что в следующем году он женится на Арлин.