Введение

Существует распространенное заблуждение, что наука — совершенно безличное, бесстрастное и полностью объективное занятие. В то время как большая часть прочих видов человеческой деятельности находится во власти моды, преходящих увлечений и особенностей личностей, науку считают подчиненной принятым точным методам и тщательной проверке. Имеют значение только результаты, но не люди, которые их получают.

Это, конечно, явная бессмыслица. Наука делается людьми, как и любое другое человеческое начинание, и также подвержена влиянию моды и личного вкуса. Правда, моду здесь устанавливает не выбор предмета обсуждения, а способ, каким ученые мыслят о мире. Каждый век вырабатывает свой собственный подход к научным проблемам, обычно следуя примеру некоторых ярких личностей, которые и ставят главные вопросы, и определяют наилучшие способы их решения. Случается, что ученый достигает достаточного положения в обществе и становится известен широкой публике, и если при этом он действительно обладает выдающимися способностями, то может стать образцом для подражания во всем научном сообществе. В прежние века таким образцом был Исаак Ньютон. Ньютон олицетворял ученого-джентльмена — с большими связями в высшем свете, глубоко религиозного, неторопливого и методичного в своей работе. Его стиль научной работы оставался образцом на протяжении двух столетий. В первой половине XX века Альберт Эйнштейн заменил Ньютона в роли популярного образа ученого. Эксцентричный, растрепанный, родом из Германии, рассеянный, полностью погруженный в свою работу, и при этом идеальный абстрактный мыслитель, Эйнштейн изменил прежний подход к физике, поставив вопрос о самих понятиях, определяющих ее как предмет.

Ричард Фейнман стал образцом для подражания в физике второй половины XX столетия — первым американцем, достигшим такого статуса. Родившийся в Нью-Йорке в 1918 г. и получивший образование на Восточном побережье, он опоздал для того, чтобы принять участие в Золотом Веке физики, который в первые три десятилетия этого века изменил наше видение мира в ходе двойной революции, ознаменовавшейся открытием теории относительности и квантовой механики. Эти стремительные прорывы заложили основание той системы взглядов, которую мы ныне называем Новой Физикой. Фейнман отталкивался от этих уже заложенных основ и участвовал в возведении «первого этажа» Новой Физики. Его вклад касался почти каждого ее аспекта и оказал существенное влияние на характер видения мира.

Фейнман был физиком-теоретиком по преимуществу. Ньютон был экспериментатором и теоретиком в равной мере. Эйнштейн просто-напросто пренебрегал экспериментом, предпочитая опираться на чистую мысль. Фейнману довелось развить глубоко теоретическое понимание природы, но он всегда оставался в тесной связи с реальным и часто неприглядным миром экспериментальных результатов. Никто из тех, кто видел, как Фейнман выяснил причину катастрофы космического челнока Челленджер, погрузив эластичную ленту в ледяную воду, не мог бы сомневаться в том, что имеет дело со специалистом по зрелищам и одновременно весьма практичным мыслителем.

Первоначально Фейнман сделал себе имя работой над теорией субатомных частиц, а именно в области так называемой квантовой электродинамики, или КЭД, с которой фактически начиналась квантовая теория. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предположил, что свет и прочее электромагнитное излучение, которое до того рассматривалось как волны, парадоксальным образом ведет себя при взаимодействии с веществом подобно миниатюрным сгусткам энергии, или «квантам». Именно эти кванты стали впоследствии называть фотонами. К началу 1930-х гг. архитекторы новой квантовой механики разработали математическую схему, способную описать эмиссию и поглощение фотонов электрически заряженными частицами, такими как электроны. Хотя эта ранняя версия КЭД достигла некоторых успехов, данная теория имела явные изъяны. Во многих случаях вычисления давали абсурдные и даже бесконечные ответы на хорошо поставленные физические вопросы.

Именно к проблеме построения непротиворечивой теории КЭД и обратился молодой Фейнман в конце 40-х гг.

Чтобы поставить КЭД на верную основу, было необходимо устранить противоречия этой теории не только с принципами квантовой механики, но также и специальной теории относительности. Для каждой из этих двух теорий были разработаны свои математические аппараты, сложные системы уравнений, которые следовало совместить, чтобы получить удовлетворительное описание КЭД. Современники Фейнмана пытались решить эту проблему. Однако взяться за эту задачу было под силу далеко не каждому, для этого требовалась высокая степень математического искусства. Сам Фейнман избрал радикальный путь — настолько отличный от большинства, что это позволило ему записать ответы непосредственно, без использования какой бы то ни было математики!

В помощь героическому порыву своей интуиции Фейнман изобрел простую систему диаграмм, получивших его имя. Диаграммы Фейнмана — символический и чрезвычайно эвристический способ представления того, что происходит, когда электроны, протоны и другие частицы взаимодействуют между собой. Сегодня эти диаграммы — не более чем рядовое вспомогательное средство для вычислений, но в начале 50-х годов они произвели поразительную перемену в методах построения теоретической физики.

Частная проблема построения непротиворечивой теории квантовой электродинамики, хотя она и была вехой в развитии физики, была только началом. С нее начал свою историю особый фейнмановский стиль, тот стиль, которому было предназначено породить целый ряд важных результатов в широком круге физических проблем. Этот стиль можно лучше всего охарактеризовать как сплав уважения и непочтительности по отношению к общепринятым взглядам.

Физика — точная наука, и существующая система знаний, хотя и несовершенная, не может быть просто отброшена в сторону. Фейнман уже в раннем возрасте обрел чрезвычайно глубокое понимание принятых в физике принципов, и посвятил свои усилия почти исключительно конвенциональным проблемам. Он не был из тех гениев, которые корпят в одиночестве в тихой заводи своей дисциплины и наталкиваются на нечто в корне новое. Особенностью его дара была способность подойти к ключевым проблемам неким весьма своеобразным способом. Это означало сторониться существующего формализма и развивать свой собственный глубоко интуитивный подход. В то время как большинство физиков-теоретиков полагаются на тщательные математические вычисления, чтобы получить проводника и опору в незнакомой местности, манера Фейнмана была весьма бесцеремонной. Создавалось впечатление, что он мог читать природу, словно открытую книгу, и просто сообщал, что он обнаружил, обходясь без скучного научного анализа.

Действительно, следуя своему стилю, Фейнман выказывал здоровое пренебрежение к строгому формализму. Трудно выразить словами глубину гениальности, необходимой для работы подобным образом. Теоретическая физика — одна из самых трудных областей интеллектуальной деятельности, сочетающая абстрактные понятия, не допускающие наглядности, с крайней математической сложностью. Для большинства физиков прогресс становится возможным лишь благодаря принятию высочайших стандартов умственной дисциплины. Фейнман же, казалось, обходился грубо с этим практическим кодексом и словно бы срывал новые результаты как спелые плоды с Дерева Знания.

Стиль Фейнмана происходил во многом из особенностей его личности. Как в своей профессиональной, так и в личной жизни он относился к миру как к чрезвычайно занимательной игре. Физический мир представал ему в виде удивительного ряда загадок и задач, точно так же как и общественная среда. Неисправимый шутник, он относился к научным авторитетам и к академическому аппарату с той же особой непочтительностью, которую проявлял в отношении щепетильного математического формализма. Никогда не мирясь с глупостью, в каком бы виде он с ней ни встречался, он нарушал правила везде, где находил их ненужными или бессмысленными. Его автобиографические произведения содержат любопытные истории о том, как он перехитрил службу безопасности проекта по созданию атомной бомбы, как он взламывал сейфы, как обезоруживал женщин своим скандально смелым поведением. С той же непринужденностью он отнесся и к своей Нобелевской премии, присужденной ему за его работу над КЭД.

Вдобавок к его неформальности, у Фейнмана был ряд непонятных, но привлекательных причуд. Многие будут помнить его одержимость Тувой — республикой, заброшенной в просторах Центральной Азии, — запечатленную столь замечательно в документальном фильме, снятом им незадолго до смерти. Среди других его страстей были игра на барабанах бонго , живопись, посещение стрип-клубов и расшифровка текстов майя.

Фейнман сам многое сделал для того, чтобы развить свою неповторимую личность. Всегда с неохотой обращаясь к перу и бумаге, он был очень говорлив в беседах и любил рассказывать истории о своих идеях и веселых проделках. Эти истории, накапливавшиеся с годами, добавляли ему загадочности, и сделали его легендой еще при жизни. Его увлекательная манера изложения обеспечивала ему любовь студентов, особенно тех, что помоложе, которые буквально молились на него. Когда Фейнман умер от рака в 1988 году, студенты Калифорнийского технологического института, где он работал на протяжении почти всей своей карьеры, развернули транспарант с простой надписью «Мы любим тебя, Дик».

Именно беззаботный подход Фейнмана к жизни вообще и к физике в частности сделали его таким превосходным преподавателем. У него было мало времени для чтения формальных лекций или даже для руководства аспирантами. Тем не менее, он мог читать блестящие лекции, когда это было ему удобно, проявляя во всей полноте свой искрометный юмор, проницательную интуицию и непочтительность к авторитетам — те же качества, которые он проявлял и в своей исследовательской работе.

В начале 60-х годов Фейнмана убедили прочитать вводный цикл лекций по физике для студентов первого и второго курсов КАЛТЕХ'а . Он сделал это со своим неповторимым шармом и неподражаемой смесью неформальности, живости и своеобразного юмора. К счастью, эти бесценные лекции были спасены для потомства в виде книги. Хотя по стилю и форме они отстоят далеко от привычных учебников, фейнмановские «Лекции по физике» имели огромный успех и воодушевляли и вдохновляли целое поколение студентов по всему миру. И три десятилетия спустя эти тома не утеряли ничего из своего блеска и ясности. «Шесть простых фрагментов» отобраны непосредственно из «Лекций по физике». При составлении этой книги предполагалось дать широкому кругу читателей представление о Фейнма- не-наставнике, позаимствовав начальные, лишенные технической терминологии главы из этой исторической работы.

• * Небольшой сдвоенный барабан. — Прим, перев.
• **Сокращенное название Калифорнийского технологического института. — Прим, перев.

В результате получилась восхитительная книга — она служит одновременно и базовым учебником по физике для не-ученых, и учебником по самому Фейнману.

Что больше всего впечатляет в фейнмановском тщательно составленном изложении — так это то искусство, с которым он может развить далеко идущие физические концепции, введя самый минимум понятий, математических формул и технического жаргона. Он обладал профессиональным умением найти именно ту аналогию или пример из повседневной жизни, которые проливали свет на самое существо глубокого принципа, не усложняя его случайными или несущественными подробностями.

Подбор тем в этом томе не имел целью дать полное представление о современной физике, но скорее дать почувствовать дразнящий вкус фейнмановского стиля работы. Скоро мы увидим, как он может осветить по-новому даже привычные понятия, такие как сила и движение. Ключевые понятия иллюстрируются примерами, взятыми из повседневной жизни или из истории. Физика постоянно связывается с другими дисциплинами, в то же время не оставляя у читателя сомнений по поводу того, какая наука является основополагающей.

С самого начала «Шести простых фрагментов» мы узнаем, как вся физика основывается на нашем представлении о законе — о том, что существует упорядоченная вселенная, которую можно понять, используя рациональный подход. Однако законы физики не самоочевидны для нас в нашем непосредственном опыте. Напротив, они скрыты, искусно зашифрованы в тех явлениях, которые мы изучаем. Требуется сокровенное действо физиков — смесь тщательно организованного эксперимента и точного математического расчета — чтобы вскрыть лежащую в основе реальность.

Возможно, наиболее известным законом физики является ньютоновский закон тяготения, где сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. Эта тема появляется у Фейнмана в контексте Солнечной системы и кеплеровских законов движения планет. Но тяготение универсально, оно действует во всем космосе, что дает Фейнману возможность украсить свое изложение примерами из астрономии и космологии. Комментируя изображение шаровидного скопления, каким-то образом удерживаемого вместе незримыми силами, он вдруг лирически замечает: «Кто не видит здесь действия сил тяготения, у того нет души!»

Известны и другие, негравитационные законы, описывающие взаимодействие частиц вещества друг с другом. Есть лишь несколько таких сил, и сам Фейнман принадлежит к числу тех немногих выдающихся ученых в истории, которым удалось открыть новый закон физики, определяющий способ воздействия слабых ядерных сил на некоторые субатомные частицы.

Физика частиц высоких энергий была жемчужиной в короне послевоенной физики, одновременно устрашающей и очаровывающей, со своими огромными ускорителями и кажущимся нескончаемым списком все новых открываемых субатомных частиц. Исследования Фейнмана были направлены главным образом на то, чтобы наполнить смыслом результаты его деятельности. Большой объединяющей темой среди физиков, занимавшихся частицами, была в то время роль законов симметрии и сохранения, наведение порядка в этом субатомном зверинце.

Как это бывает, многие из видов симметрии известных в физике частиц были хорошо знакомы уже в классической физике. Главными среди них являются симметрии, вытекающие из однородности пространства и времени. Возьмем время: если оставить в стороне космологию, в которой большой взрыв отмечает начало времени, в физике нет ничего, что позволяло бы отличить один момент времени от другого. Физики говорят, что мир «инвариантен относительно сдвигов во времени», имея в виду, что для описания физических явлений не имеет никакого значения, возьмете ли вы за точку отсчета времени в своих измерениях момент полудня или полуночи. Физические процессы не зависят от выбора начала времени отсчета. И оказывается, что из этой симметрии временных сдвигов непосредственно вытекает один из основных, и при этом один из самых полезных законов физики — закон сохранения энергии. Этот закон гласит, что вы можете передавать энергию из одного места в другое, можете преобразовывать ее, но вы не можете создать ее или уничтожить. Фейнман с предельной ясностью излагает этот закон, рассказывая увлекательную историю о Денисе-проказнике, который из озорства всегда прятал свои игрушечные кубики от матери (глава 4).

Самая интересная и требующая наибольшего напряжения глава в этом томе — последняя, в которой излагаются основы квантовой физики. Не будет преувеличением сказать, что квантовая механика доминировала в физике XX столетия и превосходила в своей успешности все существующие научные теории.

Она необходима для понимания субатомных частиц, атомов и ядер, молекул и химических связей, структуры твердых тел, сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей, электрической и тепловой проводимости металлов и полупроводников, строения звезд и многого другого. Ее практические применения простираются от лазера до микрочипа. И все это из теории, которая на первый взгляд — и на второй тоже — выглядит абсолютно безумной! Нильс Бор, один из основателей квантовой механики, как-то заметил, что тот, кто не был потрясен этой теорией, тот не понял ее.

Вся проблема заключается в том, что квантовые идеи покушаются на самую сущность того, что мы могли бы назвать реальностью здравого смысла. В частности, ставится под сомнение убежденность в том, что физические объекты, такие как электроны или атомы, обладают правом самостоятельного существования с полным набором физических характеристик. Например, электрон не может иметь положение в пространстве и точно определенную скорость одновременно. Если вы хотите определить, где находится электрон, вы обнаружите его в некотором месте, а если вы измеряете его скорость, то получаете определенный ответ, но невозможно выполнить оба наблюдения одновременно. Бессмысленно приписывать определенные, но при этом неизвестные значения положения в пространстве и скорости электрону в отсутствие завершенного комплекса измерений.

Эта неопределенность в самой природе атомных частиц получила свое выражение в знаменитом принципе неопределенности Гейзенберга, который накладывает строгие границы на точность, с которой такие характеристики, как положение в пространстве и скорость, могут быть известны одновременно. Четко определенное положение в пространстве размазывает границы возможных значений скорости, и наоборот. Размытость квантовых объектов проявляется в том, каким образом движутся электроны, протоны и другие частицы. Определенные эксперименты могут показать, что они следуют по определенным траекториям в пространстве, подобно снарядам, выпущенным в цель. Но в других условиях эксперимента может оказаться, что эти сущности могут вести себя и как волны, являя характерные образцы дифракции и интерференции.

Мастерски проведенный Фейнманом анализ знаменитого «эксперимента на двух щелях», который демонстрирует эту невообразимую корпускулярно-волновую двойственность в ее самой яркой форме, стал классикой в истории научного истолкования реальности. Фейнману удалось, используя немногие весьма простые идеи, привести читателя к самой сердцевине квантового таинства, и он оставляет нас ослепленными великолепием парадоксальной природы описываемой здесь реальности.

Хотя квантовая механика вошла в учебники уже в начале 1930-х гг., Фейнман, что для него характерно, уже в молодости предпочел приспособить эту теорию под себя, придав ей совершенно новый облик. Достоинство метода Фейнмана заключается в том, что он дает нам очень живую картину того, как природа совершает свои квантовые фокусы. Он исходит из положения, что путь частицы в пространстве вообще не является четко определенным в квантовой механике. Мы можем вообразить себе произвольно движущийся электрон не просто перемещающимся по прямой линии из пункта А в пункт Б, как это представляется здравому смыслу, а проходящим целый ряд извилистых маршрутов. Фейнман приглашает нас представить, что электрон каким-то образом исследует все возможные пути, и если мы не измеряем, каким именно маршрутом он действительно следует, мы должны предполагать, что все эти взаимоисключающие пути каким-то образом входят в состав реальности. Так что, когда электрон прибывает в некую точку в пространстве — скажем, на экране — части многих различных историй должны сложиться вместе, чтобы произвести это целостное событие.

Предложенный Фейнманом так называемый метод функциональных интегралов по траекториям придал этому удивительному представлению четкую математическую форму. Много лет эта концепция оставалась в большей или меньшей степени диковинкой, но по мере того, как физики продвигались к пределам квантовой механики, — прилагая ее к тяготению и даже к космологии — оказалось, что фейнмановский подход дает наилучшее вычислительное средство для описания квантового мира. Вполне может оказаться, что с точки зрения истории, среди его многих выдающихся достижений в физике именно изложение квантовой механики в форме функциональных интегралов по траекториям было самым значительным.

Многие из идей, обсуждаемых в этой книге, являются глубоко философскими. И при этом Фейнману была свойственна неизменная подозрительность к философам. Я однажды имел случай поспорить с ним относительно природы математики и физических законов, точнее, можно ли рассматривать абстрактные математические законы как обладающие независимым существованием в платоновском смысле. Он очень живо и наглядно описал, почему это действительно выглядит подобным образом, но сразу же отступил, как только я попытался заставить его занять определенную философскую позицию. Подобную же осторожность он проявлял, когда я пытался разговорить его на тему редукционизма. Бросая взгляд в прошлое, я полагаю, что Фейнман, в принципе, не пренебрегал философскими проблемами. Но, подобно тому как он мог разрабатывать утонченную математическую физику без использования систематической математики, так же он приходил к некоторым тонким философским прозрениям, не имея философской системы. Он испытывал неприязнь лишь к формализму, но не к содержанию проблем.

Маловероятно, что мир увидит еще одного Ричарда Фейнмана. Он был в очень большой степени человеком своего времени. Стиль Фейнмана давал хорошие результаты в применении к предмету, который находился в процессе закрепления достижений научной революции и начала далеко идущих исследований ее последствий. Послевоенная физика была прочной в своих основаниях, зрелой в своей теоретической структуре и все же широко открытой для нетривиальных исследовательских решений. Фейнман вступил в чудесную страну абстрактных понятий и запечатлел свое личное своеобразие на многих из них. Эта книга дает уникальную возможность получить некоторое представление о работе мысли выдающегося человека.

Поль Дэвис

Сентябрь 1994