Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни
Шрифт:
За свою работу Марри получил Нобелевскую премию и стал одним из влиятельнейших ученых послевоенной эпохи. И все же метилось, что у него комплекс неполноценности и ему хотелось выказывать свою гениальность. О чем бы ни заходила речь – хоть об ускорителях частиц, хоть о септических резервуарах, – он мог и желал объяснить, как они работают, их ключевые технические характеристики, а также к чему присматриваться в последних моделях. Его подозрительно «правильное» произношение моей фамилии мне не померещилось: он будто выискивал возможности произносить иностранные слова – названия городов, например, – чтобы продемонстрировать способность говорить как носитель языка. То слушаешь вроде бы обычного ньюйоркца, а то вдруг лицо у него меняется, и следующие несколько слов – как у квебекца, или русского, или китайца. Однажды некий студент, пока был на каникулах, выучил несколько слов на майянском и решил проверить заявление Марри, что он-де знает этот язык: произнес фразу на майянском и предложил Марри ее перевести. Марри упрекнул студента. Фраза была на низком майянском. А Марри, по его словам, изучал высокий.
Фейнман с Марри
В те времена то было значимое противоречие физики: если нельзя выделить и изолировать кварк, какой смысл утверждать, что отдельные кварки в самом деле существуют? Может, эти частицы внутри частиц – всего лишь удобное математическое построение? Эти вопросы – часть большего, философского: в какой мере данные эксперимента в современных ускорителях – прямое наблюдение, а в какой – всего лишь плод всеобщей договоренности об интерпретации численных данных? В конце концов, даже простые частицы вроде электронов и протонов мыслятся «наблюдаемыми», хотя «видим» мы их лишь косвенно: по следам, оставляемым на пленке, или по щелчкам счетчика Гейгера. А для более экзотических частиц свидетельства еще менее прямые: их существование выводят из статистических выбросов в записях данных, относящихся к рассеиванию других частиц. А ну как марсианская цивилизация, получив те же экспериментальные наблюдения, сформировала бы совершенно иной взгляд на «реальность» под этими фактами? Школа философской мысли под названием «позитивизм» вообще избегает таких вопросов, считая, что реальностью можно считать лишь непосредственно воспринимаемое органами чувств. Современная физика шагнула далеко за пределы позитивистских представлений. Но многим мысль о том, что ненаблюдаемая частица вроде кварка реальна, показалась чуточку чрезмерной натяжкой. Фейнман на это говорил, что ему врач запретил обсуждать метафизику. Но он же в конце шестидесятых опубликовал работу, показавшую, как определенные экспериментальные наблюдения поведения протона могут быть объяснены, если предположить, что у протонов есть внутренняя структура из незримых субчастиц – это и есть то самое косвенное «наблюдение» кварков, которое большинство физиков приняли как доказательство существования этих частиц. Циник Фейнман, как ни парадоксально, сам же и нарывался на противоречия. У кварков было много особых свойств, не имевших отношения к исследуемому Фейнманом физическому процессу. И поэтому из его расчетов нельзя было заключить, что невидимые частицы в его теории имели те самые свойства, то есть являлись кварками. Может, это теория Марри ошибочна – и внутри протона существуют другие незримые частицы, которые еще предстоит описать. Как раз поэтому Фейнман в своей теории и отказался называть эти внутренние частицы кварками, а поименовал их партонами. Это вызвало у Марри досаду – отчасти отказом Фейнмана поддержать его работу, отчасти потому, что слово «партон» есть смесь латинского и греческого корней. Но в этом был весь Фейнман: дотошный при описании природы и беспечный в смешенье латыни и греческого.
Хоть Фейнман и порицал изучение философии, трения между ним и Марри состояли в разнице философий. Фейнман говаривал, что физики бывают двух видов: вавилоняне и греки. Он ссылался на противостояние философий этих древних цивилизаций. Вавилоняне сделали первые великие шаги западной цивилизации к пониманию чисел, уравнений и геометрии. Но именно позднейшим грекам – особенно Фалесу, Пифагору и Евклиду – мы обязаны созданием математики. Вавилоняне пеклись исключительно о прикладной части своих расчетов, то есть об адекватности описания физического положения вещей, а не о том, насколько они точны или вписаны в более масштабную логическую систему. Фалес и его последователи-греки, с другой стороны, сформулировали представления о теореме и доказательстве – и потребовали, чтобы любое утверждение признавалось истинным только в случае точного соответствия логической системе подробно изложенных аксиом или допущений. Попросту говоря, вавилоняне сосредоточивались на явлениях, а греки – на внутреннем порядке, обусловливающем эти явления.
Оба подхода могут быть вполне могучи. Греческий подход привносит силу логического аппарата математики. Физики этого сорта частенько следуют за математической красотой теоретических построений. Что привело ко многим красивым прикладным проявлениям математики – к классификации частиц Марри, в частности. Вавилонский подход оставляет некоторую свободу фантазии и дает возможность следовать за инстинктом или интуицией, за «нутряным чутьем» в отношении природы, не беспокоясь о точности и доказательстве. Такая эстетика тоже породила множество побед – побед интуиции и «физических рассуждений», то есть рассуждений, основанных ключевым образом на наблюдениях и интерпретациях физических процессов, а не на математике. По сути, физики, применяющие такой способ мышления, иногда нарушают формальные правила математики или даже выдумывают странные новые (и не доказанные) методы расчетов – на основании своего понимания экспериментальных данных. В некоторых случаях математикам приходилось идти замыкающими: либо оправдывать новоизобретенные физиками способы применения математических представлений, либо разбираться, почему такое «недозволенное» использование математики все равно дает на выходе довольно точные ответы.
Фейнман считал себя вавилонянином. Он доверялся своему пониманию природы, чтобы оно вело его, куда захочет. Марри же скорее относился к греческому типу – он желал категоризировать природу и извлекать точный математический
Как бы ни бесило Марри нежелание Фейнмана считать внутренние элементы протонов кварками, это вполне ожидаемо от мыслителя вавилонского типа. Объясняя некоторые данные, Фейнман указывал, что, судя по ним, там должна быть некоторая внутренняя структура. Однако не усматривал никакой убедительной причины для следующего шага – признания во внутренней структуре той, которую предлагал Марри. Мыслителю греческого типа одного факта, что такое признание сообщит законченность красивой математической классификации, было бы достаточно, чтобы это шаг сделать.
Несмотря на Фейнмановы названия для этих подходов – вавилонский и греческий, – сходные философские разногласия возникали между многими другими персонажами и течениями в истории, в том числе и среди самих греков, пример тому – Платон и Аристотель. Платон верил, что суть явлений материального мира – в вечных незыблемых закономерностях. Именно такие закономерности, в математических терминах, и ищут физики вроде Марри. Аристотель же считал, что Платон ставит телегу впереди лошади. С его точки зрения, идеальное (то есть абстрактное) описание природы – миф или, быть может, просто удобство, а на деле следует заниматься явлениями, воспринимаемыми органами чувств. Как и Фейнман, он боготворил природу как таковую, а не (возможные) сущностные абстракции.
Фейнмановское различение этих подходов отражает, как мне кажется, и теория Сперри о двух полушариях мозга. Левое, ищущее порядка и организации, – Марри, грек, платоник, а правое, воспринимающее закономерности с упором на интуицию, – Фейнман, вавилонянин, аристотелевец. В свете физической укорененности этого различия в мозге неудивительно, что оно распространяется и за пределы физики – на то, как двое этих ученых жили. Это выбор образа жизни, перед которым, не осознавая этого, вскоре окажусь и я.
Во многих смыслах Фейнман был для Марри главным интеллектуальным противником. Хотя в 1981 году широкие СМИ Фейнмана еще не открыли, в мире физики его персона затмевала Марри уже несколько десятилетий. Легенда Фейнмана зародилась в 1949-м, когда он, тогда еще тридцатилетний, написал серию статей для «Physical Review». Со времен Исаака Ньютона было так: создаешь теорию физики, записывая уравнение или систему уравнений, называемых дифференциальными. Потом обсчитываешь следствия теории, решая эти дифференциальные уравнения. С квантовой теорией все в точности так же. К примеру, чтобы разобраться, что квантовая электродинамика – квантовая теория электрически заряженных частиц – предсказывает в поведении электрона, физик 1940-х для начала описал бы его текущее, или «исходное», состояние. Эта математическая функция содержит количественную информацию об импульсе электрона и энергии в начале процесса или эксперимента. Цель теоретика – описать эти же количества в конце процесса или эксперимента (то есть рассчитать так называемое «конечное» состояние) или хотя бы рассчитать вероятность, с которой электрон достигнет того или иного состояния, интересующего ученого. Для этого физику нужно решить дифференциальное уравнение.
Чтобы вычислить вероятность, с которой электрон в некоем исходном состоянии окажется в другом, конечном, в Фейнмановом подходе необходимо сложить по определенным правилам вклады всех возможных траекторий, или историй, электрона, приводящих его из исходного состояния в конечное. По Фейнману, именно это отличало квантовый мир от повседневного, или классического. В классических теориях частица перемещается по единственной траектории – в точности как предметы в окружающем нас мире. Странный квантовый мир возникает от необходимости учитывать всякие дополнительные маршруты. Для крупных предметов сложение всех возможных путей дает лишь один, самый значимый, классический, и потому квантовых эффектов не замечаешь. А для субатомных частиц – например, электронов – отметать траектории, которыми этот электрон движется в дальних просторах Вселенной или мечется во времени, уже нельзя. Квантовый электрон носится по Вселенной в космическом танце, из настоящего в будущее, а оттуда – в прошлое, отсюда – везде и обратно. Следуя своими путями, он не обращает внимания на привычные нам правила движения и ведет себя так, будто природа бросила поводья. По словам Фейнмана, тут даже «временной порядок событий… не применим». И все-таки, как гармония музыкальных инструментов, все эти траектории, сложенные вместе, дают конечное квантовое состояние, наблюдаемое экспериментатором.
Метод Фейнмана казался радикальным и, на первый взгляд, абсурдным. В нашей наукоориентированной культуре принято ожидать порядка. Мы развили устойчивое представление о времени и пространстве – о том, что время движется из прошлого через настоящее в будущее. Фейнман, как обычно, никогда не комментировал метафизические аспекты своей теории. Позднее, узнав его ближе, я вроде бы понял, как у него родилась такая теория. Он сам вел себя очень похоже на электрон.
Подход Фейнмана физикам его времени было трудно и постичь, и принять. Так называемые интегралы по траекториям, которые он изобрел для суммирования путей частиц, не имели математического доказательства, а временами и определены скверно. А его наглядный метод извлечения ответов из его же теории, ныне именуемый диаграммами Фейнмана, не походил ни на что виденное физиками прежде. Физики требовали доказательства. Они желали, чтобы математический вывод его формул исходил из обычных формулировок квантовой теории. Но он развил свой метод, применяя интуицию и физическую логику – а также множество проб и ошибок. Доказать его он не мог. Когда в 1948 году представлял этот метод на конференции, подвергся нападкам звезд физики – Нильса Бора, Эдварда Теллера и Поля Дирака. Они потребовали греческого подхода, а Фейнман-то – вавилонянин. И все же с ним пришлось считаться: ему за полчаса удавались теоретические расчеты, на которые у звезд физики уходили месяцы.