Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана
Шрифт:
Когда Фейнман повзрослел, его заинтересовали другие вопросы. Если бы все научные данные были утеряны во время мирового катаклизма, то в каком одном утверждении можно было бы наиболее полно передать наше представление о мире? Ричард предложил следующее: «Все тела состоят из атомов – крошечных частиц, пребывающих в постоянном движении; эти частицы притягиваются друг к другу, когда они находятся на небольшом расстоянии, и отталкиваются друг от друга при сжатии тела». И затем он добавил: «Из одного этого предложения можно бесконечно много узнать о мире, если поразмыслить и включить воображение». И хотя со времен первых философов, предложивших атомную модель строения вещества, прошли тысячелетия, Фейнман принадлежал к первому поколению ученых, по-настоящему и всецело верящих в эту теорию не как в некое убеждение, а как в неоспоримый факт. В 1922 году, произнося речь после получения Нобелевской премии, Нильс Бор посчитал своим долгом напомнить присутствующим, что ученые «рассматривают существование атомов как истину, не подвергающуюся сомнениям». Ричард же, тем не менее, вновь и вновь читал в «Британской энциклопедии», что «даже сегодня теоретическая химия не располагает достаточными доказательствами, подтверждающими эту теорию». Более убедительные доказательства предоставляла новая наука, физика. Явление,
В фундаментальности представления о том, что вещество имеет зернистую структуру, ученых XVII–XVIII веков убеждало изучение газов, а не твердых тел. После совершенной Ньютоном научной революции они активно начали производить измерения, искать значения постоянных величин и выводить математические формулы, полагая, что только философский подход к изучению природы без конкретных цифровых данных мало что даст. Исследователи получали и разлагали воду, аммиак, углекислый газ, карбонат калия и десятки других веществ. Когда они научились точно определять вес исходных составляющих и конечных продуктов, то обнаружили закономерности. Например, соотношение содержания водорода и кислорода, необходимого для получения воды, всегда поддерживалось на уровне два к одному. Англичанин Роберт Бойль обнаружил, что, хотя при определенной температуре в клапане можно менять давление и объем воздуха, масса его остается неизменной. И при постоянной температуре и массе газа произведение давления газа на его объем – величина постоянная. Результаты этих измерений вызывали множество «почему». При нагревании газа увеличивается или его объем, или давление. Почему?
Тепло, казалось, способно перетекать, как жидкость – «флогистон» [33] или теплород [34] . Но последователям-натурфилософам пришла в голову куда менее интуитивно понятная идея о том, что тепло – это движение. Это было смелое заявление, так как никто не видел, чтобы предметы двигались. Ученым пришлось вообразить бесчисленное множество мельчайших невидимых частиц-корпускул, сталкивающихся друг с другом и оказывающих давление на лицо при малейшем дуновении ветра. Расчеты подтвердили эту догадку. Швейцарец Даниил Бернулли [35] развил закон Бойля, предположив, что давление газов возникает в результате столкновения с поверхностью именно таких шарообразных корпускул. А его заключение о том, что при нагревании происходит увеличение скорости беспорядочно движущихся частиц, связало понятия температуры и плотности. Корпускулярная теория получила новый виток развития, когда Антуан Лоран Лавуазье [36] , очень тщательно и осторожно проводя опыты, продемонстрировал, что молекулы могут вступать в реакции, а могут образовываться в результате химических реакций, даже в тех случаях, когда газы взаимодействуют с твердыми телами, что и происходит, когда на поверхности железа образуется ржавчина.
33
Флогистон – термин, предложенный в 1667 году Иоганном Бехером и в 1703 году Георгом Шталем для объяснения процессов горения. Флогистон представляли как невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании.
34
Теплород – термин, введенный в 1783 году Лавуазье; невесомая материя, присутствующая в каждом теле и являющаяся причиной тепловых явлений.
35
Даниил Бернулли (1700–1782) – швейцарский физик-универсал, механик и математик, один из создателей кинетической теории газов, гидродинамики и математической физики.
36
Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) – французский естествоиспытатель, основатель современной химии.
«Материя неизменна и состоит из простейших частиц, неделимых при любых условиях, но соединенных между собой». Это значило, что атом сам по себе содержал целую вселенную, которая оставалась загадкой для будущих поколений. Математик XVIII века Руджер Бошкович, директор по оптике военно-морского министерства Франции, был своего рода провидцем в теории атома, и его взгляды эхом отразились в одном-единственном предложении Фейнмана. Представление Бошковича об атоме строилось не столько на том, из чего состоит вещество, сколько на том, что происходит с веществом при воздействии на него, и вызывало множество вопросов. Почему одни вещества способны упруго сжиматься, как каучук, а другие, как, например, воск, – нет. Почему твердые тела так и остаются твердыми, в то время как жидкости могут замерзать или испаряться? За счет чего происходят процессы кипения и брожения, когда частицы хаотично движутся с разной скоростью, сближаясь и сталкиваясь?
Стремление разобраться в природе частиц привело к необходимости изучить, какие невидимые силы притягивают и отталкивают их друг от друга, что определяет внешние свойства материи. Притягиваются друг к другу, когда они находятся на небольшом расстоянии, и отталкиваются друг от друга при сжатии – так описал это Фейнман. Такую картину уже вполне мог мысленно представить сообразительный старшеклассник в 1933 году. За два века представление о химических свойствах веществ значительно расширилось. Количество открытых элементов заметно увеличилось. Даже в школьной лаборатории можно было пропускать ток через колбу с водой, чтобы выделить легковоспламеняющийся водород и кислород. Химия, упакованная в образовательные наборы для опытов, казалось, ограничивала себя до собрания строгих правил и рецептов. Но основные вопросы все так же волновали пытливые умы. Почему целое остается целым, если атомы постоянно двигаются? Какие силы отвечают за плавное движение воздуха и воды и какие взаимодействия атомов провоцируют возгорание?
Век прогресса
Попытки определить, какие силы действуют на атомы, вылились в десятилетие споров. Наука, называемая химической физикой, стремительно уступала место другим наукам, которые вскоре станут известны как ядерная физика и физика высоких энергий. Те, кто изучал химические
37
Речь идет о противостоянии копенгагенской (вероятностной) интерпретации волновой функции, сторонником которой был Бор, и теории о скрытых переменных, которую отстаивал Эйнштейн. Время показало, что Эйнштейн был неправ. Прим. науч. ред.
Тем же удушающе жарким летом на выставке побывали Мелвилл, Люсиль, Ричард и Джоан Фейнманы. По такому случаю Джоан даже научилась есть бекон вилкой и ножом. А затем Фейнманы загрузили вещи в багажник машины и отправились в кажущееся бесконечным путешествие через полстраны. Их путь пролегал по небольшим дорогам, так как эра скоростных шоссе еще не наступила. На ночлег останавливались на фермах. Выставка располагалась на территории площадью более полутора квадратных километров вдоль берега озера Мичиган, и повсюду здесь была представлена наука. Прогресс в чистом виде: на выставке провозглашалась невероятная польза науки для общества. «Знания – сила», – такой лозунг украшал книгу, которую Ричард взял с собой. Она называлась «Мальчик-ученый» (The Boy Scientist). Наука изобретала и модернизировала, она изменяла сам уклад жизни человека. Фирмы, названные в честь Эдисона, Белла и Форда, связывали страну сетями проводов и мостовых, и это было прекрасно. Так же как и демонстрации фотонов и электронов, зажигающие свет и несущие голоса через сотни километров.
Даже в период Великой депрессии чудо науки вселяло веру в будущее. Быстрые воздушные корабли, способные перевозить грузы по воздуху, высокие небоскребы и способы лечения различных болезней тела и общества уже маячили на горизонте. Кто мог знать, куда тогдашний сообразительный молодой ученик заведет этот мир? Один нью-йоркский литератор описал, как будет, по его мнению, выглядеть город пятьдесят лет спустя. Нью-Йорк 1982 года, по его представлениям, – город, в котором проживает пятьдесят миллионов человек. Ист-Ривер и большая часть Гудзона застроены. Машины движутся по многоуровневым развязкам и бесшумным рельсам. Ряды встроенных балконов обрамляют бесчисленные небоскребы. Питание доставляется в спрессованных брикетах. Дамские платья невероятно облегающие, как купальники из 1930-х. Герой этой фантазии – гений-старшеклассник, знающий куда больше всех остальных. Надежды, возлагаемые на молодое поколение, были как никогда высоки.
Ученые тоже работали над тем, чтобы внедрить в жизнь новые знания, перенося их из лабораторий в реальный мир. «Даже человеческий мозг подпитывается электричеством», – сообщил тем летом исследователь из Университета Чикаго. Мозговой центр использует огромное количество связей для клеток, каждая из которых может рассматриваться как крошечный химический завод или электронная батарея. Представители бизнеса Чикаго также вовсю использовали знания. В день открытия выставки астрономы, используя телескопы четырех обсерваторий, для включения освещения всей экспозиции уловили слабые лучи света от звезды Арктур, находящейся на расстоянии сорока световых лет, и применили электричество для их усиления. «Здесь собраны плоды человеческих достижений в области физики, доказывающие нашу способность преодолевать любые трудности», – заявил президент корпорации по проведению ярмарок Руфус Дауэс, когда пушки с грохотом выпустили в воздух сотни американских флагов. Динозавр в натуральную величину внушал страх посетителям. Робот читал лекции. Те, кто не очень интересовался наукой, могли за определенную плату посмотреть, как безработная актриса Салли Рэнд танцует с веером из страусиных перьев. Фейнманы прокатились на аттракционе Скай-Райд, который представлял собой кабинку, подвешенную на двух тросах между башнями на высоте 183 метра, и посетили Зал науки, где на стене были записаны имена всех ученых от Пифагора и Эвклида и далее до Ньютона и Эйнштейна.
Фейнманы никогда не слышали о Боре или о других физиках, которые собрались в то лето в Чикаго, но, как и большинство американцев, из газет они отлично знали имя Эйнштейна. Тем летом он путешествовал по Европе, нигде не задерживаясь надолго. Он навсегда покинул Германию в поисках лучшей жизни и собирался прибыть в Нью-Йорк в октябре. На протяжении четырнадцати лет Америка переживала настоящую волну помешательства, восторгаясь этим «математиком». The New York Times, постоянными читателями которой были Фейнманы, превозносила Эйнштейна с не меньшим рвением, чем предыдущее поколение обожествляло Эдисона. Ни один ученый-теоретик ни до, ни после не разжигал в умах такое рвение к знаниям. Часть легенды, самая правдивая ее часть, заключала в себе революционную суть теории относительности, которая должна была перевернуть представления человека XX века об устройстве Вселенной. Другая часть была связана с высказыванием Эйнштейна о том, что лишь двенадцать человек во всем мире способны понять его работу. «Любой свет искажается на небесах», – сообщал в 1919 году заголовок в Times. «Успех теории Эйнштейна». «Звезды не там, где нам кажется, и не там, где должны находиться по расчетам, но беспокоиться не стоит». «Книга для двенадцати умных мужчин». «“Никто в мире не поймет”, – сказал Эйнштейн». Такими были заголовки газет. Один из них гласил: «Абсолют под угрозой». Другой весело заявлял: «Даже надежность таблицы умножения под сомнением».