Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни

Вечерами делать было, в общем, нечего – только трепаться с другими добровольцами, глазеть на звезды или навещать маленькую «библиотеку» киббуца с парой десятков книг на английском. Кое-какие оказались по физике, судя по всему – дар одного киббуцника, учившегося в колледже в Штатах. У меня в то время была двойная специальность – химия и математика, и все, кто меня знал, считали, что рано или поздно я стану профессором химии в каком-нибудь крупном университете. Я всегда был ребенком-ученым и, по общей памяти, с малолетства увлекался химией и математикой. Курс физики для старших классов показался мне сухим и скучным. Я совершенно не понимал, с чего такой сыр-бор вокруг Исаака Ньютона: кого вообще могла воодушевить скорость шара, катящегося по наклонной плоскости, или сила, с которой падает груз со второго этажа? Никакого сравнения с фейерверками и шутихами, какие я мог мастерить в химической лаборатории, или с искривленными пространствами, какие воображал на занятиях по математике. И все же на книжном безрыбье пришлось взяться за издания по физике.

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.)