Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность
Шрифт:
Потряси один электрон, и другой тоже задвигается, словно они висят на единой нити. Ключевое отличие лишь в том, что в случае электромагнетизма должна быть временная задержка. Специальная теория относительности предписывала, что сигнал по нити не может двигаться быстрее света.
Зигзаги через время
Как только Уилер взялся за проблему радиационного сопротивления для электронов, он и Фейнман объединили усилия, чтобы попытаться смоделировать эффект без участия электромагнитных полей. Им требовалось найти объяснение тому, что любой электрон, ускоряемый
Это словно тормоза машины, срабатывающие одинаково во всех ситуациях, вне зависимости от условий на дороге и действий других автомобилей.
Пытаясь создать более реалистичную гипотезу, Уилер представил, что произойдет, если электрон, ускоряясь, встретит сопротивление, определяемое соседними частицами. Ускоряющийся электрон первым делом отправит в стороны некий сигнал, затем, словно зеркало, нечто в окружающей среде отразит этот сигнал, и отражение и будет препятствием для движения.
Поскольку эффект возникает мгновенно, не может быть временной задержки между отправкой первого сигнала и получением второго, второй должен прибыть в точности в то мгновение, когда отправляется первый. И это может происходить только в том случае, если второй сигнал совершит обратное путешествие во времени.
Уилер знал, что уравнения Максвелла полностью симметричны во времени.
Любое решение описывает не только волну, двигающуюся в будущее, но одновременно и другую, катящуюся в прошлое. Последнее, именуемое «опережающим решением», традиционно игнорируется, поскольку все знают, что часы идут вперед, а не назад.
Тем не менее наш герой обладал на редкость открытым умом и хотел узнать, что случится, если включить в рассмотрение опережающее решение. В то мгновение, когда электрон посылает сигнал посреднику (окружающей среде, по сути, суммарному эффекту всех частиц вселенной), анонсируя свое присутствие, посредник отправляет назад сигнал, прибывающий точно в тот момент, когда отправляется первый.
По техническим причинам посредник должен быть идеальным поглотителем, принимающим каждый сигнал. Следовательно, в обращенном назад во времени решении он будет действовать как идеальный излучатель, отправляя обратно чистый сигнал, не замутненный какими-либо материальными эффектами посредника. Результатом станет мгновенное замедление пытающегося ускориться электрона независимо от свойств иных частиц.
Оживляя аналогию с веревкой – мы словно привязываем один ее конец к креслу-качалке, а другой – к стене (она представляет посредника). Покачаем кресло, и вибрация побежит по веревке, добравшись до стены, она отразится и вернется к креслу, препятствуя его колебаниям. Теперь вообразим, что неким образом стена посылает отраженный сигнал обратно во времени, чтобы тот повлиял на кресло в тот момент, когда оно начинает качаться.
Так мы получим странный эффект опережающего сигнала.
Предположения Уилера заинтриговали Фейнмана, и он немедленно принялся выражать их математически, пробуя разные комбинации исходящих и входящих пульсаций, чтобы получить суммарный эффект, способный объяснить радиационное сопротивление. Вскоре он нашел правильную пропорцию: смесь пятьдесят на пятьдесят из сигналов, идущих вперед и назад во времени, полностью симметричную относительно настоящего.
Он
Гипотеза стала известной как «теория поглощения Уилера – Фейнмана».
Экзамен
Получив расчеты Фейнмана, Уилер понял, что они достигли цели, и, учитывая революционный потенциал нового подхода, он сообщил ученику, что настало время оповестить коллег. Оба знали, что проект пока не завершен, они использовали классические, а не квантовые методы. Полное сосредоточение на проблеме собственной энергии электрона и других важных провалах в теории потребовало бы цельной квантовой электродинамики, которая еще не была полностью создана в то время.
Как и в случае с классической физикой, предварительные попытки квантовать (описать в квантовой форме) электродинамику закончились появлением математически непривлекательных бесконечных значений для собственной энергии и других параметров.
Квантовая теория означала бы замещение точных детерминистических механизмов классической теории на вероятностные описания, базирующиеся на математических функциях, именуемых «операторами». Необходимо было учесть некоторую расплывчатость и неопределенность, чтобы отразить непрозрачность реальности на квантовом, субатомном уровне.
С наивным оптимизмом Уилер сказал, что он быстро управится с квантовой частью, в то время как Фейнман подготовит классическое описание. Он убедил Ричарда, что позже, когда экспериментальная фаза будет завершена, он представит отдельную лекцию по квантовым аспектам.
Фейнман, понятно, нервничал перед первой в жизни чисто научной лекцией, наставник успокаивал его и говорил, что она даст ему ценный опыт выступлений. Как только Ричард согласился, Уилер обратился к Вигнеру, координировавшему серию докладов, и попросил внести его ученика в расписание.
За несколько дней до назначенной даты Фейнман шел по коридору Файн-холла и наткнулся на Вигнера. Похвалив труды молодого коллеги, последний упомянул, что на лекцию приглашены несколько профессоров: Джон фон Нейман, которого многие считали гением, один из лучших мировых специалистов по теории квантовых измерений; известный астроном Генри Норрис Рассел, прославившийся схемой классификации звезд; Паули, покинувший Цюрих и посетивший институт перспективных исследований; и наконец сам Эйнштейн, почти никогда не приходивший на выступления, организованные факультетом физики, заинтересовался темой и обещал непременно быть.
Услышав о том, что все эти титаны мысли явятся послушать его гипотезы, Фейнман превратился в настоящий комок нервов, нечто вроде ходячего циклотрона из плоти и крови.
Уилер снова успокоил ученика – если какие-то вопросы покажутся слишком сложными, то он придет на помощь. Ричард немного остыл и продолжил готовить речь.
Перед самым началом выступления он принялся рисовать на доске уравнения, но тут седовласый шестидесятилетний мужчина с грубым южно-германским акцентом прервал Фейнмана. «Привет, я пришел на вашу лекцию. Но, во-первых, где же чай?»27 – поинтересовался Эйнштейн.