Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

Возвращаясь снова к трем типам потенциальных читателей, описанным выше, я хотел бы сказать, что те, кто принадлежит ко второй и третьей группам, получат от этой книги большое удовольствие. Но эта книга втайне предназначалась читателям первого типа. Если вы начинающий и честолюбивый физик-теоретик, я призываю вас проглотить эту книгу со всей жадностью вашего рассудка, а затем обратиться к учебникам по квантовой теории поля, чтобы научиться «держать в уме».

Я уверен, что вы овладеете квантовой теорией поля. Просто помните, что сказал Фейнман: «Что понял один дурак, поймет и другой». Он имел в виду себя – и вас!

В мифологии индейцев Центральной Америки Кецалькоатль – одно из трех главных божеств, творец мира, создатель человека и культуры, бог утренней звезды, покровитель жречества и науки. – Примеч. пер.

Откуда он знал? Ньютон был великим человеком, он писал: «Потому что я могу отполировать стекло». Вас может удивить, с чего он взял, что если можно отполировать стекло, то не должно быть дырок и пятен? Ньютон сам шлифовал свои линзы и зеркала и знал, что он делает при шлифовке – царапает поверхность стекла порошками все более тонкого помола. По мере того как царапины становятся все тоньше и тоньше, поверхность стекла меняет свой облик и из матово-серой (так как свет рассеивается большими царапинами) становится прозрачно-ясной (потому что очень тонкие царапины пропускают свет насквозь). Таким образом, он увидел, что невозможно предположить, будто очень мелкие неровности, вроде царапинок или пятен и дырок, могут влиять на свет. В действительности он обнаружил, что верно обратное. Тончайшие царапинки и, следовательно, такие же маленькие пятнышки не оказывают влияния на свет. Так что теория дырок и пятен не годится.

Нам очень повезло, что Ньютон убедил себя в том, что свет состоит из «корпускул»: мы можем увидеть, какой сложный путь должен пройти живой и пытливый ум, пытаясь объяснить явление частичного отражения от двух или большего числа поверхностей. (Тем, кто считал, что свет – это волны, не надо было ломать над этим голову.) Ньютон рассуждал следующим образом. Хотя кажется, что свет отражается от передней поверхности, он не может отражаться от этой поверхности. Если бы он отражался, то каким образом уже отраженный от передней поверхности свет мог бы опять оказаться задержанным, если толщина такова, что отражения не должно быть вообще? Тогда свет должен отражаться от второй поверхности. Но чтобы объяснить тот факт, что толщина стекла определяет степень частичного отражения, Ньютон предложил следующую идею: свет, ударившись о первую поверхность, создает нечто вроде волны или поля, которое движется вместе со светом и предрасполагает его к тому, чтобы отразиться или не отразиться от второй поверхности. Он называл этот процесс «приступами легкого отражения или легкого прохождения», циклически повторяющимися в зависимости от толщины стекла. // В связи с этой идеей возникают две трудности. Первая – это эффект добавочных поверхностей. Каждая новая поверхность влияет на отражение – это я описал в тексте. Другая проблема состоит в том, что свет, безусловно, отражается от озера, у которого нет второй поверхности. Так что свет должен отражаться от передней поверхности. В случае единичных поверхностей Ньютон говорил, что свет имеет предрасположение к тому, чтобы отразиться. Можем ли мы иметь теорию, согласно которой свет знает, в какую поверхность он попадает и единственная ли она? // Ньютон не подчеркивал специально этих противоречий в своей теории «приступов легкого отражения и прохождения», хотя ясно, что он сознавал ее неудовлетворительность. Во времена Ньютона не обращали особого внимания на недостатки теории, их замазывали – стиль отличался от того, к которому мы привыкли в науке сегодня, когда мы указываем на все те места, где наша теория не согласуется с данными эксперимента. Я не пытаюсь обвинить Ньютона. Я просто хочу высказаться в пользу того, как мы обмениваемся информацией в науке сегодня.

Эта идея основывалась на способности волн взаимно усиливаться или взаимно гаситься, и расчеты в рамках этой модели соответствовали результатам как экспериментов Ньютона, так и экспериментов, проводившихся на протяжении столетий после Ньютона. Но когда были разработаны приборы, достаточно чувствительные, чтобы реагировать на единичный фотон, волновая теория предсказала, что «щелчки» фотоумножителя будут становиться все тише и тише, в то время как они сохраняли полную силу, и только раздавались все более редко. Ни одна разумная модель не могла объяснить этот факт, поэтому наступил период, требовавший известной хитрости. Надо было знать, какой эксперимент вы анализируете, чтобы сказать, что такое свет – волны или частицы. Эта путаница была названа «корпускулярно-волновым дуализмом» света, и кто-то пошутил, что свет представляет собой волны по понедельникам, средам и пятницам; частицы – по вторникам, четвергам и субботам, а по воскресеньям мы думаем об этом. Цель этих лекций – рассказать о том, как эта загадка была в конце концов «разрешена».5

Участки зеркала, стрелки которых направлены в основном влево, также дают сильное отражение (когда уничтожены участки, стрелки которых направлены в обратную сторону). Отражение исчезает, когда имеются и «левые», и «правые» участки зеркала. Это аналогично случаю частичного отражения от двух поверхностей: каждая поверхность отражает сама по себе, но если толщина становится такой, что обе поверхности дают противоположно направленные стрелки, отражение исчезает.

Не могу не рассказать вам о решетке, созданной самой природой. Кристаллы поваренной соли – это атомы натрия и хлора, упакованные упорядоченным образом. Их чередование, подобно гофрированной поверхности, действует как решетка, когда кристаллы освещены определенным светом (в данном случае рентгеновскими лучами). Найдя определенные места, где детектор регистрирует сильное отражение (называемое дифракцией), можно точно определить, каково расстояние между полосами и, следовательно, каково расстояние между атомами (см. рис. 28). Это прекрасный способ определения структуры всевозможных кристаллов, а также подтверждение того, что рентгеновские лучи – это тоже свет. Такие эксперименты были впервые проведены в 1914 г. Как это было захватывающе – впервые во всех подробностях увидеть, как расположены атомы в различных веществах.

Это пример действия «принципа неопределенности»: существует некая «дополнительность» между знанием того, где свет проходит между кубиками, и того, куда идет потом, – точное знание и того и другого невозможно. Я хотел бы поставить принцип неопределенности на его историческое место: когда впервые стали высказываться революционные идеи квантовой физики, люди все еще пытались осмыслить их при помощи старомодных представлений (вроде того, что свет распространяется прямолинейно). Но в определенный момент старомодные представления начинали подводить, поэтому появилось предостережение, смысл которого был таков: «Ваши старомодные представления ни к черту не годятся, когда…» Если вы избавитесь от всех старомодных представлений и вместо этого будете пользоваться идеями, о которых я говорю в этих лекциях – будете складывать стрелки для всех способов, которыми может случиться событие, – принцип неопределенности будет не нужен!