Текст книги "Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность"

Ребенок любопытства

Отец Фейнмана, всю жизнь шивший униформу, очень интересовался наукой и передал сыну негаснущее восхищение перед тем, как удивителен наш мир и сколько в нем тайн. Когда Ричард был еще ребенком и носил прозвище «Ритти», отец развлекал его, подсовывая одну головоломку за другой. Они вместе исследовали чудеса природы, такие как раковины на морском берегу, и получали удовольствие, изучая статьи в энциклопедии на самые разные темы.

Благодаря моральной поддержке отца Ричард освоил интегральное исчисление к тринадцати годам. К этому времени семья перебралась в комфортабельный дом в Фар-Рокэуэй, одном из предместий Квинс, по соседству с популярным пляжем. Мать Ричарда, Люсиль, некогда мечтавшая о работе воспитателя в детском садике, не возражала против того, чтобы сын увлекался естественными науками и математикой, но она также развивала его творческую сторону, и именно она рассказывала ему смешные истории.

В средней школе Фар-Рокэуэй Хай Скул Ричард был настолько развитым, что один из учителей, понимавший, что ученик скучает, дал ему учебник по исчислению, чтобы тот не мешал другим и сам был занят. В других книгах Фейнман прочитал о принципе наименьшего времени Ферма: простое объяснение того, почему свет путешествует по прямой линии, и познакомился с понятием времени как четвертого измерения и другими продвинутыми концепциями физики.

Участие в математическом конкурсе для школьников под эгидой Нью-Йоркского университета в 1935 году принесло ему первое место, золотую медаль и упоминание в «Нью-Йорк Таймс»⁶.

Фейнман часто размышлял, как объяснить тот или иной процесс отцу, а тот регулярно засыпал сына непростыми вопросами, касавшимися разных физических явлений, даже после того, как Ричард отправился в колледж. «Почему оно происходит именно так?»⁷ – интересовался Мелвилл, имея в виду тот или иной феномен в природе.

Например, как-то летом, когда Ричард уже начал обучение на бакалавра в Массачусетском технологическом институте (МТИ), его отец попросил растолковать, как электрон переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон (частицу света). «Находился ли фотон в атоме с самого начала, чтобы он мог выйти наружу? – интересовался Мелвилл. – Или в первый момент там не было никакого фотона?»⁸.

Фейнман храбро попытался объяснить отцу, что фотоны подобны словам, пусть они и выскакивают по одному, но их в атоме неограниченное количество. Как нет ограничения по поводу того, сколько существительных может произнести человек, так нет внутри атома мешка с фотонами, который в один момент в состоянии опустеть.

Но к разочарованию Ричарда его отец так и остался в недоумении, не осознал, что точно происходит в атоме, когда электрон испускает фотон. Ирония судьбы в том, что много позже Фейнман получил Нобелевскую премию за работу, где, помимо прочего, описывались и подобные взаимодействия.

Воспитанный таким отцом, Фейнман на всю жизнь сохранил детское восхищение перед миром. Как писал его друг Ральф Лейтон: «Он всегда мог взглянуть на любое явление как ребенок. Он смотрел на вещи с любопытством и восхищением, находил что-то новое и делал маленькие головоломки из всего, на чем останавливалось его внимание»⁹.

Даже по стандартам одного из лучших технических университетов мира Фейнман был блестящим студентом. Он прекрасно справлялся с любыми расчетами, на зубок знал интегральное исчисление и прочие разделы высшей математики.

Весной 1939-го, в последний год в МТИ, его в составе команды из пяти человек пригласили принять участие в престижной математической олимпиаде имени Уильяма Патнема. Поначалу Ричард уперся, утверждая, что он не настолько сильный математик. Только после того, как стало ясно, что среди старшекурсников не хватает людей, чтобы набрать команду, он согласился.

И к собственному удивлению получил наивысший балл среди всех участников. Победа Фейнмана попала в новости по всей стране и дала ему возможность автоматического зачисления в Гарвард с полной стипендией на все время обучения.

Ричард, тем не менее, был склонен пойти в магистратуру МТИ.

Но Джон Слэтер, глава физического факультета и специалист в области квантовой теории, побудил Фейнмана посмотреть на вещи шире. Когда тот стал настаивать, что МТИ – лучшее место для занятий наукой, и что он должен остаться здесь, Слэтер возразил, что другие университеты как минимум не хуже, а еще они предлагают новые, интересные возможности. В конце концов он прекратил спор и велел Ричарду выбирать.

И пусть Гарвард казался прекрасным вариантом, Фейнман остановился на Принстоне. Конечно, он слышал, что там есть циклотрон, и еще читал труды Вигнера и был не против с ним поработать.

Поэтому Ричард был ошеломлен, когда, прибыв на место, он узнал, что администрация Принстона изменила решение и приписала нового магистранта к Уилеру. Решение это, во многом произвольное, стало важным моментом в жизни обоих.

Детские шалости

Родившийся в Джексонвилле, Флорида, 9 июля 1911 года, Уилер был семью годами старше Фейнмана. И подобно своему ученику Джон в детстве находился под влиянием образованных, любящих родителей.

Его отец, Джозеф, был уважаемым человеком, он возглавлял несколько библиотек в разных частях страны, и среди них оказалась хорошо известная библиотека Еноха Пратта из Балтимора. Еще он организовывал строительство и надзирал за постройкой филиалов библиотечных учреждений.

Поэтому семья то и дело переезжала с места на место – Калифорния, Огайо, Вермонт, Мэриленд, – по мере того, как отец Уилера менял место работы. Но одно оставалось неизменным – там, где они жили, всегда имелось очень много книг.

Мать Джона, Мабел (семейное прозвище «Арчи»), тоже любила читать и привила сыну сохранившуюся на всю жизнь любовь к печатному слову. Будучи ребенком, он часто обстреливал ее вопросами по поводу устройства вселенной, такими как «если я пойду в космос, то когда-нибудь доберусь до его конца?»¹⁰.

Хотя и Фейнман, и Уилер прославились как теоретики, они разделяли детскую страсть к экспериментам. Каждый яростно интересовался тем, «как оно работает». Оба приходили в восторг от химических наборов, радиоприемников, моторов и конструкторов.

Когда отец Ричарда как-то заметил, насколько важна электрохимия, тот поместил под напряжение кучу сухих реактивов, чтобы посмотреть, что с ними произойдет. Не упуская ни единой возможности поковыряться в домашних приборах, он установил внутреннюю телефонную связь и механизировал колыбель сестры Джоан так, чтобы та качалась автоматически¹¹.

Уилер в детстве точно так же развлекался, совершая маленькие технические изобретения. Он изготовил детекторный радиоприемник, протянул телеграфную линию из своего дома в дом друга, сделал кодовый замок, а также нечто вроде механического калькулятора. Проводил эксперименты с порохом и едва не потерял палец, поджигая динамитные шашки у загона для свиней¹².

Если бы Фейнман и Уилер выросли вместе, то они наверняка провели бы сотни веселых часов, заставляя разные вещи двигаться, светиться, а иногда немного взрываться. Когда они встретились, будучи молодыми мужчинами, их детский энтузиазм ослабел, но никуда не делся, и он во многом определил успех их совместной работы.

Они любили возиться с самыми разными вещами, начиная от простых механизмов и заканчивая материей пространства и времени.

Удивительная симметрия

Отношения между научным руководителем и его учеником часто выглядят несбалансированными. В конце концов, первый имеет большую власть над карьерой второго, так что не самый умный или злонамеренный руководитель может дать неверный совет, присвоить плоды совместной работы, сделать так, что аспирант не получит степени, и в конечном итоге попросту уничтожить его жизнь.

В случае Фейнмана и Уилера мы видим редкое исключение, тут отношения «наставник-студент» в конечном итоге эволюционировали в искреннюю, равноправную дружбу. Близость между двумя физиками только увеличилась с годами, и каждый помогал соратнику расти и развиваться.

Они оба были смелыми мыслителями с открытым разумом, готовыми взяться за самую безумную гипотезу. Они оба выдвигали необычные концепции – от частиц, которые путешествуют против хода времени, до параллельных миров; от вселенной, описанной с помощью чистой геометрии, до мироздания, основанного исключительно на цифровой информации. Спорные предположения, но большая часть визионерских прорывов в теоретической физике во второй половине двадцатого и начале двадцать первого века имеет корни в смелых размышлениях Фейнмана и Уилера, включая базу стандартной модели физики элементарных частиц и все разновидности астрофизических теорий, например, о свойствах черных дыр и червоточин.

И тот и другой в сердце оставался юношей, который смотрит на мир, как на бесконечное поле для исследований: мир полон головоломок, их нужно непременно решить, шифров – их необходимо раскрыть, тайных проходов – их требуется нанести на карту, и шарад, просто вопиющих, чтобы их разгадали. Подобно Тому Сойеру и Гекльберри Финну они не хотели ограничивать себя повседневными делами и стремились в неведомое, к приключениям.

Некоторые виды симметрии не выглядят очевидными.

Так и тут, если судить по внешнему поведению, трудно обнаружить нечто общее в Ричарде Фейнмане и Джоне Уилере. Первый ненавидел однообразие, часто говорил экспромтом, используя самые простые слова, и всегда бросал вызов образу «серьезного ученого», как его видит публика, второй был тихим, сдержанным и вежливым в речах и действиях.

Таким образом, Фейнман проявлял свою необычность открыто, но Уилер в своих научных идеях выходил намного дальше за рамки общепринятого, под обшивкой конформизма крылся яростный нонконформист. Вместе они не боялись выбросить в корзину старые учебники и начать разбирать проблему с нуля.

Возможно, словосочетание «безумные идеи» лучше всего описывает результат их взаимодействия.

Их совместная работа началась почти сразу после того, как Фейнмана назначили ассистентом преподавателя к Уилеру по курсу классической физики. Формальности и разница в социальном положении растворились, когда стало ясно, что оба они в душе – исследователи. И в конце концов они изменили наше понимание феномена времени, дав место таким вещам как альтернативные реальности и путешествия в прошлое.

Глава первая
Часы Уилера

Это парень из МТИ… посмотрите на результаты его тестов по математике и физике. Это фантастика! Никто из тех, кто попадал к нам в Принстон, даже близко не подходил к чему-то подобному… Он должен быть неограненным алмазом. Но мы никогда не принимали никого со столь низкими оценками по английскому и истории. Хотя взгляните на практический опыт, который есть у него в химии и опытах с трением!

Джон А. Уилер. из речи на научном совете о принятии Фейнмана в Принстон

Джон Уилер вынул часы из кармана и положил на стол.

Он хотел, чтобы встреча с новым ассистентом, Ричардом Фейнманом, прошла четко по расписанию. Для молодого доцента, обремененного многочисленными курсами и собственными исследованиями, время – ценный ресурс. Чтение лекций требует времени. Глубокая концентрация, без которой не поработаешь над фундаментальными проблемами, тоже не достигается за минуту. Бумажная работа требует времени, и консультации тоже…

Часы для всего мира в этот период тикали весьма тревожно.

Нацисты продолжали агрессию, и все больше людей понимало, что их нужно остановить силой. Если они продолжат в том же духе в Европе, то только вопрос времени, когда под ударом окажутся Соединенные Штаты, а всем известно, что ученые Германии разрабатывают новое ужасное оружие.

Чтобы противостоять ему, требуются научные прорывы здесь, в Америке.

Уилер, например, в январе 1939-го узнал от своего наставника Нильса Бора и его ассистента Леона Розенфельда, что исследователи Третьего рейха открыли: тяжелые ядра в атоме урана могут при определенных обстоятельствах делиться, высвобождая огромное количество энергии, и процесс этот назвали «ядерным распадом».

«Цепная реакция», породившая ошеломляющие новости, была очень быстрой.

Австрийский физик Лиза Мейтнер, работавшая с немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом над проблемой распада, рассказала об открытии племяннику Отто Фришу. Находившийся в то время в институте теоретической физики в Копенгагене Фриш передал информацию Бору, своему директору. Тот немедленно осознал всю ее важность, переговорил с Розенфельдом и принял решение объявить об открытии на приближающейся конференции по теоретической физике в университете Джорджа Вашингтона в США.

Выступление Бора было запланировано на 26 января, но 16 числа на встрече в клубе физического факультета Принстона, сразу после того как Бор и Розенфельд прибыли в Америку, второй обо всем рассказал. Так Уилер и остальные получили информацию о ядерном распаде. Когда датский ученый сделал свое заявление собственно на конференции, его мрачные слова вызвали резонанс в более широких научных кругах.

Многие физики, узнавшие об этом открытии – особенно те, кто бежал от фашистских режимов в Европе, – ужаснулись при мысли о том, что нацисты могут получить бомбу, взрывная сила которой основана на делении ядер урана. Среди тех, кто особенно испугался перспективы обретения Гитлером ядерного оружия, оказались Энрико Ферми, перебравшийся в Штаты из Италии под властью Муссолини, Юджин Вигнер, Лео Силард и Эдвард Теллер, все эмигранты из Венгрии.

Два месяца спустя после заявления Бора Ферми встретился с офицерами ВМФ в Вашингтоне. Летом Силард, которого поддержали Вигнер и Теллер, предупредил Альберта Эйнштейна, и тот отправил знаменитое письмо президенту Франклину Рузвельту.

Если учесть угрозу со стороны нацистов и возможность того, что Штаты окажутся вовлечены в войну, кто знал – может быть, правительство США упросит физиков, занимающихся квантовыми проблемами, оставить абстрактные гипотезы и взяться за военно-прикладные исследования?

Неофициальный портрет Джона Арчибальда Уилера в институте теоретической физики Нильса Бора в Копенгагене, середина 1930-х годов

(AIP Emilio Segre Visual Archives, Wheeler Collection).

Работая вместе с Бором, Уилер стал настоящим экспертом в области ядерного распада, и его наверняка приставили бы к делу в том случае, если Америка втянется в конфликт. Их совместные исследования начались пятью годами ранее, осенью 1934-го, когда Уилер посетил институт Бора.

Он только что защитил диссертацию в университете Джонса Хопкинса под руководством американского физика австрийского происхождения Карла Херцфельда и завершил постдиссертационное исследование в Нью-Йоркском университете под началом Грегори Брайта, поэтому был полон рвения раскрыть все тайны атомного ядра. Уилер видел в ученичестве у Бора, признанного корифея квантовой физики, привлекавшего ученых со всего мира, идеальный способ обрести необходимый опыт.

В Копенгагене он оставался до июня 1935-го и занимался взаимодействиями между ядрами и космическим излучением (энергетическими частицами из космоса).

Тот стиль, в котором вел исследования Бор, оказал значительное влияние на Уилера. Датский ученый говорил тихо и неразборчиво, но умел ставить вопросы так, чтобы взглянуть на предмет изучения с совершенно новой стороны. Как вспоминал Уилер, «Бор применял этот зондирующий подход ко всему, желая добраться до сути дела и испытать феномен вплоть до его самых последних пределов»¹³.

Вернувшись из Европы, Джон с удовольствием проработал три года в университете Северной Каролины (Чапел-Хилл), после чего получил место доцента в Принстоне осенью 1938 года. Даже до заявления Бора о немецкой ядерной программе времена тогда были тревожные, и на Хэллоуин того года Орсон Уэллс разыграл свою знаменитую мистификацию с марсианским вторжением у селения Грувс-Милл; передача шла по радио, и это вызвало настоящую панику.

Такая реакция публики отразила широко распространенный страх перед новым ужасным оружием. Когда несколькими месяцами позже Бор предупредил физиков на Вашингтонской конференции об открытии ядерного распада в Германии и о появившейся у нацистов возможности создать атомную бомбу, видения опустошающих террористических атак проникли в ночные кошмары очень многих людей.

Бор оставался в Принстоне с января по май 1939-го, и работал он в кабинете на одном этаже с Уилером в здании, которое тогда именовалось Файн-холл, а ныне называется Джонс-холл. Пытаясь разобраться с механизмом ядерного распада, ученые эксплуатировали боровскую жидкокапельную модель атома, гибкую схему, где ядро предстает чем-то вроде распухшего яичного желтка, который при сильном растяжении способен делиться. Трудясь вместе всю весну, они скрупулезно определили, в каких условиях может происходить распад, когда образец урана бомбардируют или быстрыми (высокоэнергетичными), или медленными (низкоэнергетичными) нейтронами.

Для различных изотопов (ядерных типов) урана Уилер нарисовал картинки энергетических барьеров, которые необходимо преодолеть нейтронам, чтобы проникнуть в ядро атома и разбить его. Он изобразил эти барьеры в виде холмов, на которые лыжник должен взобраться, чтобы достичь вершины и получить шанс на быстрый спуск.

Для наиболее распространенного изотопа, уран-238, холм оказался крутым, и тут требовались быстрые нейтроны – вроде лыжников, выступающих на Олимпиадах – чтобы добиться цели. Для куда более редкого изотопа, уран-235, барьер был намного ниже, его в состоянии пересечь даже медленные нейтроны, как обычные любители лыжных прогулок.

Таким образом Уилер и Бор сделали вывод, что уран-235 куда легче подвергнуть распаду, чем уран-238. Более того, они открыли, что искусственно созданный изотоп, именуемый плутоний-239, если его произвести в достаточном количестве, еще проще расщепить медленными нейтронами.

При этом в процессе распада появляются новые нейтроны, и при замедлении они могут спровоцировать распад других, соседних ядер, вызвав ядерную реакцию с контролируемым выделением энергии… или взрыв большой разрушительной силы.

Бор и Уилер опубликовали результаты в статье «Механизм ядерного распада», которая вышла из печати 1 сентября 1939 года, точно в тот день, когда началась Вторая мировая война в Европе и Адольф Гитлер вторгся в Польшу. Их находки оказались позже бесценными для Манхэттенского проекта, военной программы по разработке ядерной бомбы в США.

К осени Уилер оставил позади совместную работу с Бором и был полон желания внести свой персональный вклад в теоретическую физику. Он также надеялся стать внушающим уважение наставником, каким датский физик был для него. В картине идеального профессорства, которая сформировалась у него в голове, сочетались приватная сторона: глубокие размышления и тщательные расчеты, и публичная сторона: преподавание и работа со студентами.

Поддержание равновесия между ними требовало аккуратного обращения со временем, отсюда и часы на столе.

Тогда Уилеру было всего двадцать восемь, и он не мог знать, что у него есть почти семь десятилетий на то, чтобы ответить на вопросы вроде «Откуда возникает бытие?» (как он часто спрашивал в свои поздние годы). Пожилой Уилер наверняка посоветовал бы себе молодому расслабиться и получать удовольствие от преподавания. Но в тот момент, когда секундная стрелка бежала по кругу, отъедая от будущего минуту за минутой, Джон очень серьезно воспринимал задачу не отступить от расписания.

Превосходное легкомыслие

Кабинет Уилера, под номером 214, находился на втором этаже Файн-холла.

Здание получило имя от Генри Бернарда Файна, основателя математического факультета Принстона, трагически погибшего в 1928 году, когда его во время велосипедной прогулки сбила машина. Строительство корпуса оплатил друг Файна, Томас Д. Джонс, и по его плану создали настоящий храм математической науки.

Чуть позже сюда пустили физиков-теоретиков.

В каждом кабинете стены были обшиты дубовыми панелями, имелась грифельная доска, встроенные шкафы, а окна выходили на кампус, больше напоминавший парк. Сильный аромат осени встречался тут с запахом меловой пыли, когда профессора пытались описать мир природы снаружи с помощью многочисленных формул. Что и говорить, роскошное место, чтобы заниматься фундаментальными исследованиями.

Сам Джонс, математик Освальд Веблен и остальные постарались создать максимально дружественную атмосферу. Преподаватели собирались в уютной чайной и обсуждали самые разные идеи – она занимала пространство над кабинетами второго этажа. Над камином в чайной красовалась высеченная в камне фраза на немецком, взятая из лекции Эйнштейна: «Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht» («Господь Бог изощрен, но не злонамерен»). Изречение отражало веру Эйнштейна в то, что хотя поиск точных уравнений в теоретической физике извилист и может изобиловать поворотами и тупиками, но природа все же не так жестока, чтобы скрыть окончательное решение.

Градуэйт-колледж, Принстон. Фото Пола Халперна

Угловые лестницы и пересекающиеся коридоры тоже не пустовали. Профессора и студенты часто появлялись на третьем этаже, где просторная библиотека содержала тысячи томов, посвященных физике и математике. Иногда они отправлялись на первый, чтобы посетить тот или иной семинар в центральном лекционном зале. Или, как Бор и Уилер во время совместной работы, они прогуливались по коридорам второго этажа, глубоко погруженные в беседу.

Как и задумывалось, строение в целом пульсировало, пропуская через себя потоки исследователей: вверх, вниз, горизонтально.

Чтобы сотрудничество между физиками и математиками шло без затруднений, галерея вела в лабораторию Палмера, главное здание физического факультета, где проводились и исследования, и учебные занятия. Учитывая факт, что для оборудования нужно много места, лаборатория Палмера была гораздо больше, чем Файн-холл.

Вход в здание обрамляли статуи титанов американской физики: Бенджамина Франклина и Джозефа Генри.

Появившись в кабинете Уилера, Фейнман заметил, насколько молодо тот выглядит. Доцент определенно не являлся статуей, жизнь в нем просто кипела, профессора такими если и бывают, то не в те времена, когда с них рисуют портреты.

Фейнман почувствовал себя несколько свободнее.

Но тут Уилер вытащил из кармана часы и красноречиво положил на стол, собираясь следить, чтобы их разговор продлился ровно столько, сколько ему положено. Они обсудили круг обязанностей Ричарда и назначили время следующей встречи.

Ко второму разу Фейнман явился подготовленным, поскольку решил сыграть в ту же самую игру. Он купил дешевые часы, принес с собой, и едва Уилер полез в карман, Ричард повторил его жест, и второй прибор для измерения времени лег на стол на мгновение позже, чем первый.

Словно ответный ход в шахматах.

Выходка Фейнмана разбила всякую серьезность, Уилер начал смеяться. Ричард присоединился к наставнику, и они никак не могли остановиться, так что деловая встреча превратилась в праздник легкомыслия.

В конце концов Уилер решил, что пора вернуться к повестке дня.

«Смотри, пора нам заняться серьезными вещами»¹⁴, сказал он.

«Да, сэр!» – ответил Фейнман с ухмылкой, и они снова заржали в два голоса. С тех пор раз за разом, встреча за встречей дискуссии превращались в обмен шутками и сопровождались взрывами смеха, задыхающимися мольбами вернуться на грешную землю, и лишь потом обращались к физике и математике, к учебным делам.

Ричард был привычен к такому стилю общения, его мать, Люсиль, часто шутила, а отец, Мелвилл, оставался серьезным. Рядом с Уилером Фейнман мог проявлять обе стороны своей личности, и так было положено начало долгой, продуктивной – пусть иногда и легкомысленной – дружбе.