Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика

Коллектив авторов

Несколькими веками ранее французский математик Пьер де Ферма (1601-1665) нашел математическое решение для этой задачи. Он сформулировал принцип, который делал возможным иной подход к вопросам распространения света: принцип наименьшего времени. Некогда Ферма на самом деле столкнулся с дилеммой, похожей на проблему спасателя. По какой траектории будет двигаться свет, когда он проходит через границу раздела двух сред, имеющих разную плотность? Мы все знаем, что ложка, опущенная в стакан с водой, кажется сломанной: это и есть феномен преломления. В этом случае свет ведет себя таким же образом, как и спасатель: его скорость в воде меньше, чем в воздухе, что и приводит к эффекту «искажения». В 1621 году голландский астроном Виллеброрд Снелл ван Ройен рассчитал угол отклонения светового луча на

границе двух прозрачных сред. Этот закон, более известный как закон Снеллиуса, в дальнейшем будет изучаться всеми лицеистами. Формулируя свой принцип, Ферма доказал, что свет подчиняется данному закону, потому что он всегда выбирает самый быстрый путь, чтобы пройти*между двумя пунктами, как и наш спасатель.

Но разве можно утверждать, что любая вещь перемещается, следуя принципу наименьшей затраты времени? Распространяется ли этот принцип на движение футбольных мячей, пушечных ядер или астероидов? Или существует какой-либо иной параметр, нежели время, который так же минимизируется, когда объект совершает какое-то перемещение? Этот параметр установил французский ученый Пьер Луи Моро де Мопертюи в 1744 году. С его именем связан новый, почти магический способ понимать движение тела без необходимости использовать законы движения Ньютона. Фейнман открыл для себя данный закон в школе благодаря своему преподавателю физики М. Бадеру:

Великая теорема Ферма

Имя Пьера де Ферма (1601-1665) ассоциируется с одной из самых известных теорем математики. В 1637 году он написал на скорую руку заметку на полях «Арифметики» знаменитого греческого математика Диофанта из Александрии (214-298 до н.э.).

В ней он сформулировал теорему («для любого натурального числа n>2 уравнение xⁿ+yⁿ=zⁿ не имеет решений в целых, ненулевых числах х, у, z») и сообщил, что найденное им остроумное доказательство слишком длинное, чтобы изложить его здесь. Скорее всего это утверждение Ферма недостоверно, не только потому, что понадобилось 350 лет, чтобы снова найти это доказательство, которое не является очевидным, а также потому, что это «действительно восхитительное доказательство» занимает не менее 109 страниц № 141 журнала Annals of Mathematics, вышедшего в 1995 году.

«Однажды он позвал меня в класс и сказал мне: «У тебя скучающий вид, сейчас я расскажу тебе кое-что интересное». И он рассказал мне об одной невероятно увлекательной вещи, которая не перестает интересовать меня: о принципе наименьшего действия».

Представим себе баскетбольный мяч, летящий к кольцу. Благодаря законам Ньютона мы можем рассчитать, какова будет его траектория, анализируя действующие на него силы. С принципом наименьшего действия это больше не понадобится: достаточно наблюдать за энергией мяча в каждый момент времени. Мы знаем, что мяч, находящийся на некоторой высоте над полом, обладает потенциальной энергией. А для того чтобы перемещаться с определенной скоростью, ему необходима кинетическая энергия. Давайте подсчитаем кинетическую энергию в каждый момент движения и вычтем из нее потенциальную энергию. Далее вычислим сумму всех полученных результатов: итоговую величину принято называть действием. Принцип наименьшего действия гласит, что истинной траекторией мяча будет та, действие которой будет всегда иметь самое маленькое значение. Для любой другой траектории действие всегда будет больше действия реальной траектории. Мопертюи выразил это очень образно: «Природа бережлива во всех своих действиях».

Дальнейшее развитие принципа наименьшего действия было связано с именем Жозефа Луи Лагранжа. В 1788 году он опубликовал свой труд «Аналитическая механика», который лег в основу лагранжевой механики. Лагранж переформулировал механику Ньютона. В лагранжевой механике

траектория вычисляется при помощи нахождения пути, который минимизирует действие. В основе вычислений лежит интеграл от функции Лагранжа по времени. Функция Лагранжа для классической механики вводится в виде разности между кинетической энергией и потенциальной энергией (лагранжиан). Использование лагранжиана позволяло решать некоторые проблемы, неразрешимые посредством ньютоновского подхода. Хотя школьник Фейнман был очарован принципом наименьшего действия, студент Фейнман был от него в ужасе. Его друг Тед Велтон позже заявлял:

«Фейнман отказывался соглашаться с тем, что Лагранж мог быть полезен в физике. Мы все были взволнованы элегантностью и полезностью его формулы, но Дик упрямо настаивал на том, что настоящая физика основана на идентификации сил и на правильном определении их составляющих».

По иронии судьбы, самый большой вклад Фейнмана в физику был сделан благодаря использованию этого подхода, который он так ненавидел в течение своих студенческих лет.

Революция в действии

Мир физики продвигался вперед гигантскими шагами. Весной 1938 года на устах всех ученых, работающих в этой области, были такие слова, как «ядерное деление» и «цепная реакция».

Все задумывались над способом выражения энергетического потенциала атомного ядра. МТИ решил предложить своим студентам семинар Морса на тему структуры ядра. Очевидно, что ни Фейнман, ни Велтон не упустили бы такую возможность. Напряжение витало в воздухе от всеобщего предчувствия того, что еще немного — и кто-нибудь найдет доказательства возможности расщепить атом. Так и случилось: в конце этого же года немцы Отто Ган и Фриц Штрассман при помощи Лизы Мейтнер сумели расщепить ядро урана.

Реальный опыт часто противоречит фундаментальным законам.

Ричард Фейнман

Снова Велтон и Фейнман надолго оказались на неизвестной территории без какого-либо гида. Всякий, кто желал знать больше относительно ядерной физики, должен был изучить три монументальных статьи Ханса Бете, опубликованные в журнале Reviews of Modem Physics и известные как «Библия Бете». Фейнман заинтересовался ядерной физикой, что спустя несколько лет привело его к работе над созданием первой атомной бомбы. Его преподаватели были так восхищены своим учеником, что порекомендовали выдать ему диплом на год раньше: через три года обучения, вместо положенных четырех лет. Но университет отказал в их просьбе. Во время последнего учебного года Фейнман работал над своей первой научной статьей под названием «Молекулярные силы » (опубликованной в Physical Review), ходил на лекции по металлургии, а также придумал странный аппарат для измерения зависимости между скоростями двух осей при их вращении...

Осенью 1938 года, когда до получения диплома оставалось совсем немного, отец Фейнмана приехал в МТИ, чтобы встретиться с Морсом и узнать у него, был ли его сын достаточно прилежным. Преподаватель ответил однозначно: Фейнман был самым блестящим студентом, которого он когда-либо знал. Мелвилл мечтал видеть сына ученым еще со времени беременности своей жены, и вот, наконец, его заветное желание становилось реальностью. Но Фейнман еще должен был выбрать, чем он будет заниматься после учебы. Он хотел остаться в МТИ, но Джон Слейтер настоял, чтобы Ричард ехал куда-нибудь в другое место, «открывать для себя мир».

Гарвардский университет предложил ему место после математического конкурса William Powell Putnam, самого престижного испытания для университетских студентов. Никто не мог решить все конкурсные задачи, а значительный процент учащихся не мог справиться даже с одной. В 1939 году разрыв между результатами Фейнмана и других участников был настолько велик, что он удивил даже членов жюри. Тогда, не колеблясь, они предложили ему место в Гарварде, однако он отклонил предложение, так как его интересовал Принстон. Почему? Наверное, потому что в Принстоне, в Институте перспективных исследований, преподавал Эйнштейн; возможно, также и потому что многие статьи по физике, которые он читал в библиотеке, были написаны в университете Принстона.