Знайомтесь – Річард Фейнман, найвеселіший геній сучасності.
Після відкриттів Планка, Ейнштейна, Шредінгера, Борна, Гайзенберга та Дірака фізика зробила величезний крок уперед. Вчені вже добре розуміли, як поводяться електрони, чому існує принцип невизначеності й навіть передбачили антиматерію. Але одна велика проблема залишалася нерозв’язаною. Коли фізики намагалися точно описати взаємодію електронів зі світлом, їхні рівняння починали давати нескінченні результати. Це означало, що існуюча теорія десь перестає працювати.
Річард Фейнман і його новаторські ідеї
Багато хто вважав, що це лише математична проблема, яку рано чи пізно вдасться виправити. Але молодий американський фізик Річард Фейнман дивився на ситуацію інакше. Він був переконаний: якщо розрахунки стають надто складними, можливо, ми неправильно уявляємо сам процес. Замість того щоб ускладнювати старі методи, Фейнман вирішив поставити під сумнів сам спосіб, у який фізики ставили запитання природі. Саме ця смілива ідея зробила його одним із найвидатніших фізиків XX століття.
Фейнман був дуже незвичайною людиною. Він однаково легко міг читати блискучі лекції з фізики, грати на барабанах бонго, розгадувати кодові замки чи годинами розмовляти зі студентами про найскладніші питання науки. Він не любив бездумно заучувати формули й завжди прагнув зрозуміти, як насправді поводиться природа. Саме тому його пояснення здавалися дивними, але водночас надзвичайно простими. Він умів побачити складну проблему під несподіваним кутом.
Одного разу Фейнман поставив собі просте запитання. Якщо електрон летить з однієї точки в іншу, звідки ми знаємо, яким саме шляхом він рухався?
Здавалося, відповідь очевидна. Людина переходить вулицю одним маршрутом, автомобіль їде конкретною дорогою, літак летить за визначеним курсом. Ми звикли думати, що між двома точками існує одна реальна траєкторія.
Але Фейнман запропонував зовсім іншу ідею.
Рух електрона в квантовому світі
Він припустив, що в квантовому світі електрон не вибирає якийсь один маршрут. Під час розрахунків потрібно врахувати всі можливі шляхи, якими він міг би пройти. Прямий шлях, вигнутий, із петлями, навіть найнеймовірніші траєкторії, які здаються абсолютно безглуздими. Кожен із цих шляхів робить свій маленький внесок у кінцевий результат.
На перший погляд це звучить як фантастика. Невже електрон справді одночасно рухається всіма можливими шляхами?
Насправді все трохи тонше. Фейнман не стверджував, що електрон можна одночасно побачити на всіх траєкторіях. Він запропонував новий спосіб математичних обчислень. Внески від одних шляхів підсилюють один одного, а від інших — взаємно гасяться. Якщо врахувати внесок кожного можливого шляху, результат із дивовижною точністю збігається з тим, що показують експерименти.
Цей підхід отримав назву «сума за всіма можливими шляхами». Він повністю змінив спосіб, у який фізики описують квантовий світ. Замість пошуку однієї «правильної» траєкторії вони почали враховувати всі можливості одночасно. Саме тому квантова механіка так сильно відрізняється від звичного нам світу.
Діаграми Фейнмана
Але виникла нова проблема. Розрахунки за таким методом були надзвичайно громіздкими. Інколи вони займали десятки сторінок і містили тисячі математичних виразів. Потрібен був спосіб зробити їх зрозумілішими. І Фейнман знову знайшов несподіване рішення.
Він почав малювати взаємодію частинок. Електрони зображалися простими прямими лініями, фотони — хвилястими, а місця їхньої взаємодії — невеликими точками. Кожен такий малюнок відповідав складному математичному виразу. Те, що раніше займало сторінки рівнянь, тепер можна було зрозуміти, лише поглянувши на схему.
Так народилися знамениті діаграми Фейнмана. Сьогодні ними користуються фізики в усьому світі, коли описують взаємодію елементарних частинок. І хоча ці схеми здаються дуже простими, за кожною з них приховані надзвичайно складні математичні розрахунки.
Та найцікавіше виявилося навіть не це.
Діаграми дозволили фізикам зовсім по-новому подивитися на взаємодію частинок. Виявилося, що електрони можуть обмінюватися фотонами, а в математичних розрахунках з’являються особливі об’єкти, які отримали назву віртуальних частинок. Вони не схожі на звичайні частинки, які можна безпосередньо зареєструвати детектором. Це дуже незвичайне поняття, навколо якого й сьогодні існує багато міфів і непорозумінь.
Квантова електродинаміка
Усі ці ідеї стали основою нової теорії — квантової електродинаміки, або скорочено КЕД. Вона описує взаємодію світла із зарядженими частинками й сьогодні вважається однією з найточніших теорій, які будь-коли створило людство. Її передбачення збігаються з результатами експериментів із неймовірною точністю — іноді до десяти й більше знаків після коми. Жодна інша фізична теорія не демонструвала такої точності.
Річард Фейнман не відкрив нову елементарну частинку і не знайшов нову силу природи. Його найбільша заслуга полягала в іншому. Він запропонував людству зовсім новий спосіб дивитися на квантовий світ — світ, у якому природа виявилася набагато багатшою й несподіванішою, ніж могли уявити навіть творці квантової механіки.