Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность [litres]

Даты выбрали так, чтобы мог присутствовать Оппенгеймер, тогда самый известный американский физик и главная «приманка» для молодых ученых.

Мак-Иннес вместе с Уилером долго трудились над списком приглашенных. Решили определить троих лидеров дискуссий, выбрав их из числа выдающихся физиков, чтобы каждый руководил секцией: Оппенгеймер, Крамерс и блестящий эмигрант из Австрии Виктор Вайскопф из МТИ.

Последний в свое время тоже участвовал в Манхэттенском проекте, и, подобно Крамерсу, он был протеже Бора. Что знаменательно, он работал помимо прочих с Максом Борном (он был научным руководителем Вайскопфа), Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером, Дираком и Паули, и список его наставников вполне годился на роль справочника «Кто есть кто в современной физике?».

Под влиянием того же Паули Вайскопф в 1939 году предложил инновационный подход к расчету энергии самовоздействия электрона (энергии, соответствующей его взаимодействию с электромагнитным полем, которое он сам и создает), позволяющий получить конечную величину. Подобно Крамерсу, он сохранял в модели понятие электромагнитного поля. Чтобы добыть подходящую квантовую величину энергии самовоздействия, он рассчитал эффекты «вакуумных флуктуаций».

Вакуумные флуктуации происходят, когда частицы спонтанно возникают из кажущейся пустоты пространства, существуют короткое время, а затем снова исчезают в бездне, словно дельфины, всплывшие подышать воздухом перед новым погружением. Например, электрон и позитрон могут появиться вместе, бросить летящий взгляд на реальность и быстро аннигилировать друг друга. Временное создание материи из чистого ничего допускается принципом неопределенности Гейзенберга, если время в данном случае достаточно короткое (чем больше масса, тем короче).

Другое ограничение на подобные неустойчивые феномены, известные как «виртуальные частицы», заключается в том, что они должны сохранять заряд. Именно по этой причине позитроны возникают в компании электронов, их заряды компенсируют друг друга.

Вакуум – нечто вроде кредитной линии, позволяющей делать большие займы, но со строгим лимитом.

Ключевой чертой «моря» виртуальных частиц рядом с электроном (или другой заряженной частицей) является то, что оно имеет тенденцию поляризоваться – другими словами, выстраиваться по направлению плюс-минус, так же, как батарейки в фонарике. Подобное явление получило название «вакуумной поляризации».

Вакуумная поляризация эффективно заменяет точечный заряд электрона облаком заряда. Подобно иголкам испуганного ежа, пары заряженных противоположным образом частиц излучаются в стороны от электрона, и делают это таким образом, что положительный заряд в каждой паре ближе к электрону, чем отрицательный. Эти вытянувшиеся в линию заряды окружают «голый» заряд электрона так, что он эффективно становится имеющим размеры скоплением, а не безразмерной точкой.

В сущности, таким образом распределяются масса и заряд электрона.

Примечательно, что Вайскопф обнаружил: вакуумная поляризация помогает ограничить энергию самовоздействия электрона, отмечая тем самым направление, двигаясь в котором можно решить одну из главных загадок квантовой электродинамики. Расчет энергии самовоздействия все еще приводил к бесконечности, хотя уже не так быстро: теперь деревянный дом не сгорал в бушующем пламени, но его неспешно поедали термиты. Конец одинаковый, но процесс шел много медленнее и выглядел управляемым.

Гипотеза Вайскопфа дала надежду, что дальнейшие математические манипуляции позволят добиться цели: конечной энергии самовоздействия.

Помимо троих уже названных лидеров пригласили около двух дюжин ученых. Само собой, Фейнман оказался одним из первых в списке, Уилер выбрал его, предвкушая встречу двух давних соратников и возможность вновь поиграть с теорией. Кроме Ричарда, в список попали Юджин Вигнер, Джон фон Нейман, Ханс Бете, Эдвард Теллер, Грегори Брейт (в свое время руководивший постдиссертационной практикой Уилера), Энрико Ферми и Джулиан Швингер, блестящий молодой физик-теоретик из Гарварда.

Подобно Фейнману, родом последний был из Нью-Йорка, работал с Оппенгеймером и имел прекрасную репутацию.

Но не все были теоретиками, например, Уиллис Лэмб из Колумбийского университета являлся экспертом по атомным измерениям и собирался изложить свежайшие экспериментальные результаты, чтобы они послужили пищей для дискуссий. Раби, некогда научный руководитель Швингера, одинаково много времени уделял как теории, так и опытам.

Уилер знал Лэмба очень хорошо и с большим уважением относился к его работе.

Вскоре после того как тот в 1939 году защитил диссертацию в Беркли, они в соавторстве опубликовали статью о том, как атомы атмосферы подвергаются воздействию космического излучения.

Сыплющиеся из космоса электроны, вынужденные из-за сопротивления воздуха отдать часть собственной энергии, нередко распадаются на другие частицы, и этот процесс именуется «каскадом».

Уилер и Лэмб рассчитали, как атомы атмосферы влияют на порождение частиц (в 1956 году они нашли ошибку в оригинальных вычислениях, пересмотрели все и опубликовали новую статью).

Но самый известный эксперимент Лэмба имел место весной 1947-го, когда ученого уже пригласили на Шелтер-Айленд. В компании магистранта Роберта Резерфорда он испытал новый способ зондирования атома водорода и показал, что одно из предсказаний Дирака не оправдывается.

В частности, Дирак рассчитал, что два электронных состояния водорода, технически известные как 2S 1/2и 2P 1/2, должны иметь один и тот же уровень энергии. Эксперимент Лэмба – Резерфорда обнаружил маленькое, но заметное расхождение в структуре водорода, небольшой сдвиг в спектральных линиях, обозначающий, что имеется разница в энергии двух упомянутых состояний.

Открытие, что использовавшаяся ранее модель была не совсем верной, позволило теоретикам двинуть вперед квантовую электродинамику.

После работы для военных, проведенной в лаборатории излучения Колумбийского университета, Лэмб стал экспертом в обращении с концентрированными, сравнительно высокочастотными микроволнами. Более короткие, чем радиоволны, они позволяли точнее оценить цель, заметить мельчайшие отклонения в уровне энергии. После войны Лэмб решил приложить свои умения к атомной отрасли, в особенности он хотел разобраться с тем, корректно ли модель Дирака предсказывает спектр водорода.

26 апреля, после нескольких попыток применить микроволновое тестирование к атомам водорода, Лэмб и Резерфорд достигли успеха. Они обнаружили, что если использовать сигнал примерно в 1000 мегациклов (миллионов циклов) в секунду, то они могут перевести электрон из состояния 2P 1/2в 2S 1/2.