Время вспять

А вот еще маленькая история, связанная с "высокомерным авторитетом эксперимента". В 1923 году, за двадцать три года до открытия ЯМР, немецкий физик Отто Штерн решил измерить магнитный момент протона, пользуясь методом молекулярных пучков — не легкий эксперимент по тем временам. Узнав об его намерении, Паули объявил: "Бесполезный эксперимент. Что, кроме ядерного магнетона, надеется найти этот Dummkopf (глупец)?" (На это словечко Паули всегда был довольно щедр.) "Думкопф" нашел почти в три раза больше, чем ядерный магнетон. Хочу теперь, хотя я сам не специалист, описать кратко несколько этапов в развитии квантовой электродинамики. Я выбрал этот пример потому, что близкое сотрудничество теории и эксперимента редко выступает так ярко, как в постройке этого замечательного здания современной физики, а также потому, что именно на эту область науки обрушились наименее снисходительные комментарии господина Тома. В конце двадцатых годов формализм квантовой физики, в том числе и электродинамики, был хорошо установлен. Умели подсчитывать все процессы обмена энергии между материей и излучением. Точнее, умели их подсчитать в самом низшем порядке теории возмущений, чего в большинстве случаев было вполне достаточно ввиду малой величины (1/137) константы связи между материей и излучением. Но когда попробовали улучшить точность, подсчитывая члены более высокого порядка, результат всегда был одним и тем же: расходящиеся интегралы и бесконечности. В течение пятнадцати лет целая армия выдающихся теоретиков — Гейзенберг, Паули, Дирак, Борн, Вайскопф, Бете, Гейтлер и многие другие — тщетно пытались очистить теорию от проклятых бесконечностей. Была ли "какая-то в державе датской гниль"?

Неожиданно вывел всех из тупика эксперимент Уиллиса Лэмба в 1947 году. Пользуясь радиочастотной техникой, он обнаружил, что первые два возбужденных уровня водородного атома, на расстоянии десятка электрон-вольт от основного уровня, которые согласно точной теории Дирака должны были совпадать друг с другом, на самом деле были расщеплены на несколько микроэлектрон-вольт. Почти одновременно с этим другой экспериментатор — Поликарп Каш — нашел другое отклонение от теории Дирака: гиромагнитное отношение электрона отличалось от двух приблизительно на одну тысячную. Теоретики быстро убедились в том, что эти отклонения объяснялись вакуумными флуктуациями излучения и материи, которые рассматривались и прежде, но до сих пор всегда приводили к бесконечным результатам. Теперь, благодаря результатам Лэмба и Каша, теоретики знали, что эффекты флуктуации реальны, что они измеримы и малы. Последнего следовало ожидать ввиду малой величины константы связи. Менее чем в три года благодаря усилиям Швингера, Фейнмана, Томанаги и Дайсона, появился на свет так называемый метод ренормгруппы, который позволил при расчете любой физической величины однозначно изолировать расходящиеся части интегралов всех порядков по константе связи, выделяя в результате вычисления ее конечную часть, которую можно было сравнить с результатами эксперимента. Как известно, замечательное изобретение Фейнмана, так называемый метод диаграмм позволило представить наглядно и записать все члены любого порядка n. Когда порядок n увеличивается, число членов этого порядка растет, величина их уменьшается, а вычисление каждого члена быстро усложняется. Оправдывает подсчет членов высокого порядка, несмотря на их очень малую величину и на очень большую сложность, воистину умопомрачительное согласие теории с экспериментом. Такое согласие доказывает одновременно и правильность метода ренормгруппы как метода вычислений, и способность теории описывать физическую реальность. Я не сомневаюсь, что метод ренормгруппы легко мог бы быть открыт на десять лет раньше. Теоретикам, которых я только что назвал, вполне хватало и математического искусства и воображения. Чего им не хватало, так это уверенности, что квантовая электродинамика правильно описывает действительность. Только эксперимент мог им дать и дал эту уверенность. Они узнали, что "гнили" никакой не было, и после этого легко спасли "державу".