Текст книги "Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана"

Мастера

Массачусетский технологический оставался по-прежнему техническим институтом, демонстрирующим лучшие традиции профессионального мастерства. Возможности станков, аппаратов, двигателей и магнитов представлялись безграничными, хотя еще каких-нибудь пять лет назад, с наступлением эры электронной миниатюризации, казалось, что у всего есть предел. Институтские лаборатории, технические классы, мастерские предоставляли студентам прекрасные условия для проведения экспериментов. Лабораторный курс у Фейнмана вел Гарольд Эджертон, изобретатель и энтузиаст, вскоре прославившийся своими снимками предметов, движущихся на большой скорости, сделанных с помощью стробоскопа. Это устройство позволяло выставлять интервалы между вспышками света точнее, чем любой механический затвор. Эджертон расширил представление человека о скорости так же, как микроскопы и телескопы изменили представление о маленьком и большом. В своей мастерской в МТИ он делал фотоснимки пуль, пронзающих яблоки и игральные карты, порхающих колибри, капель проливающегося молока, мячиков для гольфа, деформирующихся при ударе клюшкой и принимающих форму яйца, что невозможно разглядеть невооруженным глазом. Стробоскоп показал, как много скрыто от человеческого взгляда. «Я просто взял сияние Господа Всемогущего и поместил его в коробку», – говорил сам Эджертон. Он и его коллеги – живое воплощение тех идеальных ученых, которые всю жизнь остаются детьми и выискивают самые невероятные способы разобрать мир на детали, чтобы посмотреть, как все устроено.

Таково было техническое образование в Америке. В Германии же молодые теоретики проводили время в походах по альпийским озерам, исполняли камерную музыку и вели философские споры с непринужденностью, навеянной волшебной красотой гор. Гейзенберг, чье имя станет символом самой знаменитой неопределенности XX века, будучи молодым студентом, восхищался своей «абсолютной уверенностью» в платоновском устройстве мира. Мелодия чаконы ре-минор Баха, залитый лунным светом пейзаж, проступающий сквозь туман, тайное устройство атома в пространстве и времени – все казалось проявлением единого целого. Гейзенберг примкнул к молодежному движению, возникшему в Мюнхене после тягот Первой мировой войны, и мысли возникали сами собой. Важнее ли судьба Германии судьбы остального мира? Способен ли будет человек когда-нибудь проникнуть в атом настолько глубоко, чтобы понять, почему атом углерода взаимодействует именно с двумя, а не с тремя атомами кислорода? Имеет ли молодежь право жить согласно собственным ценностям? Для таких студентов философия важнее физики. Однако поиск смысла и цели совершенно естественно приводил их в мир атомов.

Студентов, обучающихся в лабораториях и мастерских МТИ, поиски смысла происходящего не волновали. Здесь проходила проверку на прочность их мужественность. Они учились работать на станках и уверенно и авторитетно держаться – как мастера в цехах. Фейнман тоже хотел овладеть мастерством, но чувствовал себя неудачником среди этих профессионалов, так ловко управляющихся с инструментами. Они говорили как представители рабочего класса и заправляли галстуки в ремни, чтобы они не попали случайно в зажим станка. Фейнман и сам пытался обрабатывать металлические изделия на станке, но у него не получалось. Пластины, отрезанные им, были неровными, а отверстия в них – слишком большими. Изготовленные им диски шатались. Но, тем не менее, Фейнман понимал, как работают эти устройства, и радовался маленьким успехам. Как-то оператор, который часто подтрунивал над ним, пытался центрировать тяжелый латунный диск на станке. Он крутил его на установочном шаблоне, а резец дергался при каждом повороте несбалансированного диска. Оператор никак не мог сообразить, как отцентрировать диск. Он пытался отметить мелом место, где диск отклонялся больше всего, но перекос был слишком большим, и у него никак не получалось попасть в нужную точку. У Фейнмана появилась идея. Он взял мел и стал держать его чуть выше диска, слегка двигая рукой вверх и вниз в такт трясущемуся резцу. Отклонение диска было незаметным, но ритм ощущался. Ричарду следовало бы спросить оператора, в каком направлении двигался резец, когда выступ был сверху, но он и так всё рассчитал правильно. Он наблюдал за резцом, поймал ритм и сделал отметку. Удар деревянным молотком по нужному месту – и диск был выправлен.

Технические приборы и приспособления экспериментальной физики, наконец, начали понемногу выходить за рамки компетенции нескольких человек в мастерской. В начале 1930-х годов в Риме в институте на улице Панисперна Энрико Ферми собрал из куска алюминиевой трубки длиной не больше тюбика губной помады собственный миниатюрный счетчик излучения. Он методично подвергал элемент за элементом облучению нейтронами, излучаемыми радиоактивным радоном. Именно он получил ряд новых радиоактивных изотопов – элементов, никогда ранее не встречавшихся в природе, период полураспада которых был настолько мал, что Ферми приходилось нестись по коридору, чтобы успеть проверить их, прежде чем произойдет распад.

Он обнаружил новый элемент, который был тяжелее всех ранее известных в природе. Вручную он устанавливал свинцовые перегородки, препятствующие потоку нейтронов, а потом, в момент таинственного вдохновения, попробовал заменить свинец на парафин. Что-то, входившее в состав парафина (возможно, водород?), замедляло нейтроны. Неожиданно выяснилось, что медленные нейтроны оказывали на некоторые из бомбардируемых элементов значительно более заметное влияние. Так как нейтроны были электрически нейтральными, они могли свободно перемещаться вблизи электрических зарядов атома-мишени (электронов и ядер). Так как их скорости едва превышали скорость отбитого бейсбольного мяча, у них было больше времени на то, чтобы разрушить ядро атома. Пытаясь осмыслить полученные результаты, Ферми представлял себе, что этот процесс чем-то аналогичен диффузионному, когда аромат духов проникает в неподвижный воздух помещения. Он представлял путь, который прокладывают нейтроны через парафин, сталкиваясь один, два, три, сотню раз с атомами водорода, теряя энергию при каждом столкновении, отскакивая в разные стороны, подчиняясь законам вероятности.

До 1932 года никто не знал о существовании нейтронов – не имеющих электрического заряда частиц, входящих в состав ядра атома. Физики предполагали, что ядро атома состоит из отрицательно и положительно заряженных частиц: электронов и протонов. По результатам, полученным при проведении химических и электрических экспериментов, мало что можно было сказать о природе ядра. Физикам было известно лишь то, что в ядре сосредоточена основная часть массы атома и что оно обладает положительным зарядом, необходимым, чтобы скомпенсировать заряд внешних электронов, свободно перемещающихся, или вращающихся на орбитах, или формирующих электронное облако, которые, казалось, играют какую-то роль в химических процессах. Только бомбардируя вещества элементарными частицами и измеряя величину их отклонения, ученые начали пробираться внутрь ядра и даже предпринимать попытки его расщепить. К весне 1938 года не десятки, а уже сотни преподавателей физики и студентов имели представление о тех идеях, развитие которых в дальнейшем приведет к созданию новых тяжелых элементов и потенциальному высвобождению ядерной энергии[69]69
  Расщепление ядра открыли Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году. Прим. науч. ред.


[Закрыть]. В МТИ решили организовать семинар для выпускников по теории строения ядра, который должен был вести Морс и его коллеги.

Фейнман и Велтон, студенты младших курсов, вошли в аудиторию, заполненную изнывающими от нетерпения выпускниками. Заметив их, Морс поинтересовался, намерены ли они зарегистрироваться. Фейнман боялся, что их не допустят, но, в конце концов, ответил, что да, намерен. Морс вздохнул с облегчением. Когда Фейнман и Велтон зарегистрировались, общее количество официально записавшихся на курс достигло трех человек. Остальные желали быть только вольными слушателями. Как и квантовая механика, это была трудная новая теория. Не было никаких учебников. Любой, кто хотел изучать ядерную физику в 1938 году, мог рассчитывать только на один основной текст – серию из трех длинных статей Ханса Бете[70]70
  Ханс Альбрехт Бете (1906–2005) – американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике (1967).


[Закрыть], молодого немецкого ученого, работавшего в Корнеллском университете. Напечатаны они были в журнале Reviews of Modern Physics. В этой работе Бете основательно пересмотрел порядок изложения новой дисциплины. Он начал с основ: заряд, масса, энергия, размер и спин простейших ядерных частиц. Затем перешел к самому простому составному ядру – дейтрону, ядру дейтерия – изотопа водорода, в котором единственной протон связан с единственным нейтроном. Планомерно подошел к силам, которые начинали проявляться в самых тяжелых из известных атомов.

Постигая новейшие области физики, Фейнман не упускал возможности решать классические задачи, изучая явления, которые можно визуализировать. Его заинтересовало рассеяние солнечного света облаками. Рассеяние. Именно это слово начинало занимать центральное место в лексике физиков. Как и многие научные термины, заимствованные из разговорного языка, это слово было обманчиво близко к своему обычному значению.

Частицы, находящиеся в атмосфере, рассеивали лучи света почти так же, как садовник разбрасывал семена, а океан разгонял дрейфующие бревна. До наступления квантовой эры физики могли использовать это слово, не становясь при описании того или иного явления приверженцами волнового или корпускулярного подхода. Свет просто рассеивался, проходя через определенную среду, и при этом полностью или частично изменял свое направление. Рассеяние волн предполагало, что имеет место общая диффузия, рандомизация[71]71
  Рандомизация – процесс случайного распределения.


[Закрыть] исходного направления движения света. Небо нам кажется голубым, потому что рассеяние молекулами атмосферы световых волн с длиной волны, которую мы воспринимаем как голубой цвет, сильнее, чем остальных[72]72
  Рэлеевское рассеяние, объясняющее цвет неба, обратно пропорционально длине волны в четвертой степени, то есть 1/λ⁴, соответственно, синий свет, имеющий меньшую длину волны в видимом спектре, рассеивается сильнее. Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Кажется, что небо голубое повсюду. Рассеяние частиц можно мысленно представить как столкновения и отскоки бильярдных шаров. Одна частица также может рассеивать другую. В действительности рассеяние лишь некоторых частиц вскоре будет изучено во время выдающегося эксперимента современной физики.

Тот факт, что облака рассеивают солнечный свет, был очевиден. При любых колебаниях капельки воды, присутствующие в атмосфере, должны мерцать за счет того, что свет, достигший их поверхности, отражается и преломляется, а прохождение света от одной капли к другой должно быть сродни диффузии. При хорошо организованной системе образования в области науки возникает иллюзия, что в тех случаях, когда задачу легко поставить и сформулировать математически, ее легко и решить. Фейнману решение задачи рассеяния света облаками помогло развеять иллюзии. Она казалась такой же простой, как любая из сотен задач, приведенных в учебниках. Но, как в детском «почему», она затрагивала множество фундаментальных проблем. Она всего лишь на шаг отступала от вопроса, почему мы вообще видим облака. Молекулы воды идеально рассеивают свет, находясь в парообразном состоянии, но, когда пар переходит в жидкое состояние (конденсируется) и свет проходит через воду, вода становится значительно более прозрачной по сравнению с паром, потому что расстояние между молекулами сокращается и их электрические поля резонируют друг с другом, уменьшая способность к рассеянию. Фейнман попытался также понять, как меняется направление рассеянного света, и обнаружил нечто, во что сначала сам не мог поверить. Свет, прошедший сквозь облака, столкнувшийся со множеством частиц, фактически сохранял некоторую память о своем исходном направлении. Однажды туманным днем в Бостоне Ричард смотрел на здание, стоящее вдалеке, на другом берегу, и увидел его контур, исчезающий, но все же довольно четкий, менее контрастный, чем само здание, и несфокусированный. И тогда он подумал: все-таки математика работает.

Фейнман, конечно, еврей

В своих научных исследованиях Фейнман достиг границ, за которыми начиналось непознанное. Его расчеты в области рассеяния света сразу же нашли применение в решении проблемы, которая давно беспокоила одного из его профессоров – Мануэля Вальярту. Проблема была актуальна и касалась космических лучей. Не только ученых, но и общественность беспокоили эти лучи высокой энергии неизвестного происхождения, пронизывающие пространство и оставлявшие следы из электрически заряженных частиц. Именно ионизация помогла их обнаружить. Еще незадолго до начала века ученые выяснили, что сама по себе атмосфера не должна проводить электричество. Теперь же ученые стали устанавливать приборы и оборудование для обнаружения лучей на кораблях, самолетах и воздушных шарах и пытаться зафиксировать их по всему миру, но более всего в окрестностях Пасадены в Калифорнии, где Роберт Милликен и Карл Андерсон основали Калифорнийский технологический институт, ставший центром изучения космических лучей. Позже выяснилось, что сам термин был обобщающим и распространялся на множество частиц, имевших разные источники. В 1930-х годах исследования сводились к попыткам понять, что во Вселенной может быть источником этого излучения, что определяет время излучения, а также направление излучения по отношению к Земле. Вальярта озадачивало то обстоятельство, что эти лучи могут рассеиваться магнитными полями галактических звезд, подобно тому, как облака рассеивают солнечный свет. Независимо от того, происходили ли космические лучи изнутри или вне галактики, должен ли эффект рассеяния смещать их видимое направление к Млечному Пути или от него? Расчеты Фейнмана давали отрицательный ответ на этот вопрос. Суммарный эффект от рассеяния был равен нулю. Если космические лучи, как казалось, и приходили со всех сторон, то это происходило не потому, что влияние звезд скрывало их исходное направление. Фейнман и Вальярта совместно подготовили статью для Physical Review. Это была первая научная публикация Фейнмана. Конечно, саму идею нельзя было назвать принципиально новой, но из ее обоснования вытекала провокационная и смелая мысль: вероятность того, что частица вылетает из скопления рассеивающего вещества в определенном направлении, должна быть равна вероятности того, что античастица будет двигаться в обратном направлении. С точки зрения античастиц время шло вспять.

Вальярта раскрыл Фейнману секрет публикации работ, написанных в соавторстве учителя и ученика: имя ученого, имевшего более высокий статус, стояло первым. Несколько лет спустя Фейнман отыгрался. Гейзенберг завершил свою книгу о космических лучах словами «эффект подобного рода, с точки зрения Вальярты и Фейнмана, нельзя было прогнозировать». Когда они снова встретились, Ричард торжествующе спросил, видел ли Вальярта книгу Гейзенберга. Тот понимал, чем была вызвана радость. «Да, да, – ответил Вальярта. – Вы – последнее слово в изучении космических лучей».

Фейнман жаждал новых задач – любых задач. Встречая людей в здании факультета физики, он всегда спрашивал, над чем они работают. И им скоро становилось понятно, что это не праздное формальное любопытство. Фейнмана интересовали детали. Однажды он поймал однокурсника Монарха Катлера. Тот был в отчаянии. Для своей дипломной работы Катлер выбрал тему, в основе которой лежало важное открытие, сделанное в 1938 году двумя профессорами в оптической лаборатории.

Они обнаружили, что изменяется характер преломления и отражения света линзами, на поверхности которых солевые испарения сформировали тончайшие пленки толщиной всего в несколько атомных слоев. Такие покрытия позволяли устранить нежелательные блики с линз камер и телескопов. Катлер должен был найти способ расчета, позволяющий определить, какой эффект окажет наложение различных тонких пленок друг на друга. Также его преподавателей интересовала возможность создания оптически абсолютно чистых цветных фильтров, которые пропускали бы световые волны лишь определенной длины. Катлер был в замешательстве.

Для решения этой задачи достаточно знать классическую оптику, и углубляться в квантовые эффекты не требовалось. Однако никто раньше не анализировал поведение света, проходящего через ряд прозрачных пленок толщиной менее длины волны падающего излучения. Катлер сказал Фейнману, что не нашел никакой литературы по вопросу и просто не знает, с чего начать. Через несколько дней Ричард пришел к Катлеру с решением – формулой, которая позволяла рассчитать суммарный эффект, возникающий в результате бесконечного ряда отражений от внутренних поверхностей покрытий. Он показал, как сочетания преломлений и отражений повлияют на фазу света, изменяя его цвет. Используя теорию Фейнмана и проведя много часов за калькулятором Маршана[73]73
  Калькулятор Маршана (1918) – самый сложный механический калькулятор.


[Закрыть], Катлер также нашел способ, позволяющий изготовить цветные фильтры, о которых говорил его профессор[74]74
  Описываемый эффект известен как интерференция тонких пленок; именно благодаря ему появляются радужные разводы в луже пролитого масла. Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Развитие теории отражения света многослойными пленками для Фейнмана не слишком сильно отличалось от решения задач, с которыми он сталкивался в таком теперь уже далеком прошлом, когда входил в состав математической команды и участвовал в школьных математических олимпиадах в Фар-Рокуэй. Он мог увидеть или почувствовать, как потоки световых лучей, отражающиеся туда-обратно двумя поверхностями, а потом двумя следующими поверхностями и так далее до бесконечности, пересекаются между собой, и у него в голове был грандиозный запас формул, которые он мог применить в поиске решений. Даже когда ему было четырнадцать, Ричард манипулировал рядами дробей, словно пианист, тренирующийся в нотной азбуке. Теперь он интуитивно понимал, как соотнести формулы и физические явления, улавливая ритм пространства или сил, которые обозначали эти символы. Когда он учился на выпускном курсе, факультет математики пригласил Ричарда стать одним из трех членов команды и принять участие в самом престижном и сложном государственном математическом конкурсе – олимпиаде им. Уильяма Лоуэлла Патнема, проводившейся тогда во второй раз. (Пятеро лучших студентов получали звание членов научного общества Патнема, а победителю присуждалась стипендия на обучение в Гарварде.) Задание включало сложные вычислительные упражнения и алгебраические действия, и никто не ожидал, что участники смогут выполнить его целиком за отведенное время. В отдельные годы средний показатель был равен нулю: больше половины участников не справлялись с задачами. Товарищ Фейнмана по студенческому братству был удивлен, когда Ричард вернулся довольно рано, ведь олимпиада все еще продолжалась. Позднее Фейнман узнал, насколько поражена была комиссия разрывом между его результатами и четырьмя ближайшими. Из Гарварда известили о стипендии, но Фейнман ответил, что уже выбрал другой университет – Принстон.

Сначала он хотел остаться в МТИ. Он полагал, что никакой другой вуз Америки не может соперничать с ним, и сообщил об этом декану своего факультета. Слейтеру приходилось такое слышать и раньше от верных студентов, мир которых ограничивался только Бостоном и МТИ, или Бронксом и МТИ, или Флэтбушем и институтом. Он категорично заявил Фейнману, что его не возьмут в аспирантуру для его же блага.

Слейтер и Морс обратились напрямую к своим коллегам из Принстона в январе 1939 года, сообщив, что Фейнман был совершенно особенным. Один из них сказал, что его оценки были «почти невероятны», другой – что он был «лучшим студентом на физическом факультете, по крайней мере за последние пять лет». В Принстоне, когда рассматривался вопрос о допуске Фейнмана к экзаменам, фраза «неограненный алмаз» звучала чаще других.

В комиссии понимали необходимость принимать соискателей, одаренных в одной из областей, но никогда раньше не встречали кого-то со столь низким баллом по истории и английскому. По истории Фейнман был в пятерке худших, по литературе – в шестерке худших, а тест по изобразительному искусству лучше него написали 93 % учащихся. Но зато таких невероятных оценок по физике и математике комиссии раньше видеть не доводилось. По правде говоря, оценки по физике были безупречны.

Но при зачислении в Принстон возникла другая проблема, и декан Смит довольно четко обозначил ее Морсу. «Один вопрос всегда встает в отношении тех, кто интересуется теоретической физикой, – писал Смит. – Фейнман еврей? Мы ничего не имеем против евреев, но вынуждены поддерживать количество учащихся-евреев на факультете на разумно низком уровне в связи со сложностью их трудоустройства».

К марту из Принстона не было вестей, и Слейтер решил снова написать Смиту коллегиально: «Дорогой Гарри ‹…› определенно это лучший студент, какой у нас был за последние годы ‹…› лучший и в плане учебы, и в плане личных качеств…» Рекомендательное письмо было официальным и убедительным, но от руки Слейтер сделал приписку, которой не было в копии: «Фейнман, конечно, еврей…» Он хотел убедить Смита, что смягчающих обстоятельств было достаточно: «…но в сравнении с Каннером и Эйзенбадом он на порядок более привлекателен как личность. Мы не пытаемся избавиться от него. Наоборот, нам бы не хотелось терять такого студента, и втайне мы надеемся, что вы не примете его. Но, кажется, он сам решил пойти в Принстон. И я гарантирую: он вам понравится».

Морс также написал, что Фейнман «ни внешне, ни манерами не походит на еврея, и хочется верить, что это не доставит никому никаких неудобств».

На пороге Второй мировой войны формально установленный вузовский антисемитизм оставался проблемой в американской науке. И гораздо большей проблемой он был для выпускников университетов, чем колледжей. В университетах любой студент магистратуры, в отличие от студентов бакалавриата, мог быть зачислен на кафедру. Ему полагалась зарплата преподавателя и возможность проведения исследовательской работы, а также перспективы повышения. К тому же факультеты считали себя ответственными за отрасли промышленности, которым они поставляли кадры, а большинство компаний, занимающихся исследованиями в области прикладных наук, были в основном закрыты для евреев. «Нам отлично известно, что следует перескакивать через фамилии, оканчивающиеся на “берг” или “штейн”», – заявил в 1946 году декан химического факультета Гарвардского университета Альберт Кулидж. Квоты на прием были введены в 1920–1930-х годах, когда поток детей эмигрантов, желавших получить высшее образование, возрос. Еврейский вопрос редко обсуждался открыто. Их стремление и напористость были пропитаны запахами съемного жилья. Это было неприлично. «Они гордились своими научными успехами… Мы же презирали усилия этих маленьких евреев», – писал один из гарвардских протестантов в 1920 году. Даже сам Томас Вульф, с пренебрежением относившийся к амбициям «еврейского мальчика», тем не менее понимал привлекательность научной карьеры: «Потому что, брат мой, он сгорает во тьме. Он видит классы, аудитории, сияющие аппараты в огромных лабораториях, открытый простор для обучения и исследований, знания и описание мира, озаренные светом имени Эйнштейна». Также было очевидно, что для дальнейшей преподавательской работы профессору необходимо было обладать определенными качествами, а евреи зачастую были застенчивыми, мягкими или, напротив, одаренными, нетерпеливыми и нечувствительными к другим. В узких, однородных кругах университетского общества кодовыми словами были располагающий или воспитанный. Даже несмотря на то что Оппенгеймер долгие годы был деканом Калифорнийского университета в Беркли, Раймонд Бирдж[75]75
  Раймонд Тайер Бирдж (1887–1980) – американский физик, заведующий кафедрой физики Калифорнийского университета в Беркли с 1933 по 1955 год.


[Закрыть] высказался по его адресу: «Нью-йоркские евреи стадом повалили сюда вслед за ним, и некоторые из них были далеко не так хорошо воспитаны».

Фейнман, нью-йоркский еврей, явно не интересовавшийся ни религией, ни общественным мнением, никогда не высказывался о проявлениях антисемитизма. В Принстон его приняли, и с этого момента у него не было повода беспокоиться о своем трудоустройстве. Однако во время учебы в МТИ год за годом он не мог получить работу в летний период в телефонной лаборатории Белла, даже несмотря на рекомендации будущего Нобелевского лауреата Уильяма Шокли[76]76
  Нобелевская премия по физике 1956 года за изобретение биполярного транзистора. Прим. науч. ред.


[Закрыть], работавшего там. До войны в компанию Белла не принимали ученых еврейского происхождения. В конце концов и Бирджу представилась возможность взять Фейнмана на работу в Беркли. Разочарованный Оппенгеймер настойчиво рекомендовал его, но Бирдж отложил решение этого вопроса на два года. Однако через два года было уже слишком поздно. В первом случае антисемитизм сыграл большую роль, во втором – незначительную. Если бы Фейнман заподозрил, что его религиозная принадлежность повлияла на его карьеру, он был бы весьма огорчен.