Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни

В свои тогдашние двадцать я казался себе взрослым. Но на самом деле был еще ребенком – мной руководили, обо мне заботились, меня защищали. В киббуце я получил первый жизненный опыт сразу много в чем: впервые в другой стране, впервые ухаживал за скотиной, первый раз прятался в бомбоубежище, а кругом рвались снаряды. И в первый раз я жил без некоторых удобств, которые привык воспринимать как должное, – без магнитофона, телевизора, телефона и… туалета в доме.

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.