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

Эксперименты во времени

Любопытство Фейнмана никогда не ослабевало и касалось не только физического мира, но и того, как тот связан с реальностью человеческого опыта. При этом он мало ценил спекуляции, основанные на голословных размышлениях, интуиции или чувствах. Все значимое должно быть доступно проверке, считал он, иначе зачем тратить время на бесплодные раздумья?

Смесь антиэлитизма и мачизма, сохранившаяся со времен скромной жизни в университете Массачусетса, могла частично питать его презрение к ненаучной эрудиции. Ричард с ужасом думал, что другие могут увидеть его изнеженным декадентом, маменькиным сынком. И хотя он любил читать, он боялся показаться книжником, гиком от науки, ботаником или «очкариком», как сказали бы тогда.

Отсутствие способностей к спорту, к такому, например, как бейсбол, делало ситуацию только хуже. Конкурсы по математике не могли служить основой для авторитета среди сверстников.

Фейнман испытал большое облегчение, когда завел подружку, Арлайн Гринбаум, приятную в общении, но напористую и целеустремленную художницу из городка Седархерст в штате Нью-Йорк, поскольку тем самым доказал всем, что он настоящий мужик. Она называла его «Рич», в то время как остальные – «Дик», он же именовал ее «Путци». Они поддерживали романтические отношения все время, пока Ричард учился в Массачусетсе.

В Принстоне он взял курс философии – самое близкое к науке в его понимании, что он мог найти для того, чтобы заполнить необходимый для получения диплома гуманитарный раздел – и настаивал, что там ему рассказывают чепуху. Замечания преподавателя Фейнман находил столь же бессмысленными, как шипение статики в радио, и поэтому на долгих тоскливых лекциях он развлекался, используя крохотную ручную дрель, чтобы сверлить дырки в подошве собственных ботинок¹⁹.

Однажды соученики сообщили ему, что необходимо написать эссе по одной из тем курса: сознание. Фейнман с трудом извлек из памяти вроде бы пойманный в реке профессорской болтовни термин «поток сознания», и это задело в нем некую струну, напомнило о научно-фантастическом сценарии, о котором как-то говорил отец – об инопланетянах, которые никогда не спят и очень хотят знать, для чего нужно это многочасовое оцепенение.

Так что темой для эссе он выбрал момент, когда сознание угасает в процессе отхода ко сну. Дважды в день, вечером и днем, перед тем как подремать после обеда, он пытался отследить, как меняется состояние его сознания.

И однажды наблюдавший за собой Фейнман сумел заметить нечто интересное. Во время дремотной прелюдии ко сну его сознание словно раздвоилось, из одного потока оно превратилось в два. В первом потоке мыслей он представлял струны, намотанные на цилиндр и пропущенные через некий набор блоков – напоминание об одной задаче по механике, которую он решал для Уилера. Ричард всегда обдумывал проблемы, визуализуя их, так что в этом не было ничего удивительного. Живо воображая каждую деталь, он начал беспокоиться, что струны залипнут и устройство перестанет работать. И в то же время обнаружился второй поток мыслей, где он убеждал себя, что сила трения гарантирует бесперебойную работу механизма.

Любопытно, что в один момент, в двух параллельных ситуациях, он был одновременно сомневающимся студентом и уверенным наставником. И все же обе перспективы неким образом пересекались, точно так же как струны в системе блоков.

Термин «поток сознания» предложил психолог Уильям Джеймс, он описывает иллюзию того, что мысли текут единым потоком. Ирландский писатель Джеймс Джойс и другие знаменитости начала двадцатого века, такие как Т. С. Элиот и Гертруда Стайн адаптировали это понятие, превратив в название литературного стиля. Знаменитые и малопонятные романы Джойса «Улисс» (1922) и «Поминки по Финнегану» (1939) стали буквальным изложением бессвязного громыхания рассудка. Джойс, в свою очередь, оказал влияние на аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса, который в начале сороковых представил на суд публики удивительный набор коротких рассказов (исходно на испанском) о случайности, времени и разуме.

Нельзя сказать, чтобы Фейнман читал все это или тем более был потрясен такой литературой. Нет, его озарения происходили из собственных глубоких размышлений и экспериментов.

После того как Ричард сдал эссе по философии, его растущее понимание собственных шаблонов мышления привело к опытам с тем, что сейчас именуется «осознанными сновидениями»: попытка сохранить осознание и самоконтроль во время сна. Сновидение может выглядеть полностью оторванным от обычного времени, ведь в странной ночной реальности прямая последовательность событий не всегда кажется логичной.

Популярная книга тех лет, «Эксперимент со временем» Дж. В. Данна, описывала нечто вроде путешествия во времени с помощью снов. Собственные изыскания Фейнмана ошеломили его в том смысле, насколько много сновидения могли сказать о том, что он запрашивал.

Мыслительные опыты Ричарда продолжились и в Принстоне, но он повернул их в сторону осознания времени. Он услышал о передовой психологической теории, согласно которой химические процессы в мозгу, включая метаболизм железа, управляют тем, как мы воспринимаем время.

Фейнман думал иначе и решил выяснить, какие факторы влияют на процесс такого восприятия. Он размышлял, может ли это быть неким образом связано с сердечным ритмом? Бегая вверх и вниз по лестницам Градуэйт-колледжа и носясь по его коридорам, он считал про себя секунды. Его соседи по комнате не имели представления, какие идеи вдохновляют эти рывки по зданию.

Бездыханный Ричард не мог объяснить сразу, а потом наступало время идти в столовую. И все равно он смог сказать не так много, поскольку на бегу время воспринималось почти так же, как и в обычном состоянии.

Гипнотизер

Роль Уилера во всех этих делах заключалась в том, чтобы одобрительно хихикать, слушая истории Фейнмана. Несколько раз, тем не менее, вдохновленный магистрант приглашал наставника на забеги в Градуэйт-колледж, и тот мог наблюдать неординарные исследования Ричарда непосредственно.

Однажды в кампус прибыл гипнотизер с целью развлечь магистрантов. Фейнман позвал Уилера с собой на представление в качестве гостя. К большому удивлению Джона, когда гипнотизер вызвал желающих из зала, чуть ли не первым в бой ринулся Ричард.

Вход в лабораторию Палмера (ныне Фрист-центр), обрамленный статуями Бенджамина Франклина и Джозефа Генри, Принстон. Фото Пола Халперна

Несколькими секундами позже он находился в гипнотическом трансе.

Гипнотизер торжественно велел Фейнману пройти в противоположный конец комнаты, взять книгу, положить себе на голову и вернуться. Словно запрограммированный робот, он выполнил все эти команды, так что зрители катались по полу от смеха.

Уилер относился к гипнозу скептически, и он подумал, что транс Фейнмана не более чем актерская игра. Но тот не был склонен изображать из себя что-то, если речь не шла о настоящей театральной постановке. Более того, Ричард утверждал, что в самом деле ощущал потребность повиноваться командам.

Мозг, понял он, может не всегда говорить правду, и в состоянии обмануть собственного хозяина, утверждая, что следование определенным инструкциям является обязательным. С помощью непрерывного самонаблюдения и экспериментов Фейнман выработал в себе психологическую интуицию.

Это спорно, но его исследования в области измененных состояний восприятия могли приготовить его к изысканиям в области квантовой реальности, где смешиваются различные временные линии. Из-за предубеждений и ограничений разума вещи не всегда являются тем, чем они кажутся.

По субботним вечерам в Градуэйт-колледже иногда устраивали танцы, и когда Фейнману везло, то Арлайн делала перерыв, оставляла учебу в художественной школе и работу учителя игры на пианино, чтобы посетить Ричарда на выходных. К этому времени они начали говорить о браке и рассматривали себя как обручившуюся пару.

Ее нежность, полная любви улыбка и непоколебимый оптимизм обеспечивали Фейнману великолепную передышку между расчетами и напряженными занятиями. Арлайн поощряла его артистическую, экспрессивную сторону, не давала Ричарду терять душевное равновесие.

«Не строй свою жизнь по ожиданиям других, – говорила она. – Будь собой!»

Отчасти благодаря ее влиянию позже он всегда имел какое-то творческое хобби вроде рисования или игры на барабанах бонго. Увлекшись искусством барабанщика, он стал пылким исследователем различных музыкальных стилей Африки и Латинской Америки. Арлайн определила личность Фейнмана больше, чем кто-либо иной, за исключением, пожалуй, его родителей.

Приезжая на танцевальные вечера в Принстон, она часто останавливалась на ночь у Уилеров, познакомилась с его женой, Джанет, и их двумя детьми: Летицией, которую в семье звали «Тита», и Джеймсом, сокращаемым до «Джейми». Только что построенный дом на Баттл-роад находился всего в нескольких кварталах от Градуэйт-колледжа.

Джон и Джанет поженились в 1935 году еще в Северной Каролине, Летиция родилась в 1936-м, а Джейми в 1939-м, еще до появления Фейнмана, а вскоре, в 1942 году, появился и третий ребенок, Элисон.

Джанет была очень высокого мнения об Арлайн, она воспринимала ее как независимую, уверенную в себе молодую женщину. Некто столь расчетливый, как Фейнман, нуждался как раз в такой половинке, а растущая привязанность Ричарда и его подруги напоминали Уилерам об их собственных чувствах. Беспокойство вызывал лишь тот факт, насколько много Арлайн работает, и поэтому ее всегда с охотой принимали на Баттл-роад, чтобы дать возможность отдохнуть.

В благодарность Арлайн подарила хозяевам несколько акварелей.

Истории про суп

Даже погруженный в вычисления, Фейнман никогда не хотел тратить все время в одиночном заключении кабинета, библиотеки или лаборатории. Он находил полезным общаться с другими, особенно когда его ментальные инструменты буксовали. Он старался не принимать теоретическую физику настолько всерьез, чтобы остальная жизнь прошла мимо.

Наука должна быть радостным занятием, а не тяжкой работой, а люди важнее уравнений.

Следуя примеру отца, Фейнман ценил широкий взгляд на мир, характерный для детей, и при всяком удобном случае возился с ними, показывая занимательные, озадачивающие аспекты науки. Еще дома, в Квинс, он любил демонстрировать любопытные явления сестре Джоан, на девять лет его младше.

Еще у Ричарда был брат, Генри, но он умер совсем маленьким, четырех недель от роду, в 1924 году, и это стало настоящей трагедией для семьи Фейнманов.

В детстве Джоан ассистировала Ричарду при его экспериментах с электричеством, получая «зарплату» – цент в неделю²⁰. Просьба о стакане воды превращалась в лекцию о круговом движении, когда он крутил стакан перед ее глазами и вода «чудесным образом» не проливалась… до тех пор, пока стакан не падал на пол.

Он демонстрировал сестре зеленые сполохи северного сияния и поощрял ее интерес к астрономии, и в конечном итоге она сделала академическую карьеру в этой области. Когда Фейнман поступил в Принстон, они продолжали писать друг другу о чудесах ночного неба.

Несмотря на растущий интерес Джоан к науке, Ричард никогда не пытался рассказать ей о своей работе с Уилером. Возможно, он полагал, что они занимаются вещами слишком «техническими» и очень далекими от астрономии. Точно так же он никогда не представил сестру наставнику, даже когда она стала старше.

Как вспоминала сама Джоан: «У меня не было никаких контактов с Уилером, и Фейнман не обсуждал со мной их работу»²¹.

Он же часто посещал дом на Баттл-роад и подружился с детьми Уилера. Ричард получал большое удовольствие, развлекая их своими научными фокусами. Позже эти трюки стали частью выработанного им образа «волшебника от науки», удивлявшего окружающих и заставлявшего их напрягать мозги в поисках объяснений.

Летиция и Джейми помнили, как Фейнман пришел к ним в те времена, когда они были еще очень маленькими, и показал им занимательный эксперимент. Он схватил жестянку с супом прямо со стола, где Джанет готовила обед, и заявил: «У меня для вас задача. У вас две одинаковые банки консервированного супа, но одна заморожена. Вопрос в том, если положить их рядом на наклонную поверхность и отпустить в один момент, какая достигнет низа первой?»²².

Этот научный трюк основан на том, что динамика жидкостей отличается от динамики твердых тел. Твердое вещество, такое как замерзший суп, вращается вместе с банкой, в которой оно находится, и таким образом расходует энергию на вращение, отнимая ее у энергии движения в пространстве. Жидкий суп не вращается вместе с контейнером и имеет возможность тратить большую часть энергии на перемещение с места на место. Это позволяет банке добраться до нижней точки несколько быстрее.

Следовательно, даже не открывая банку и не встряхивая ее, вы можете сказать, жидкое ее содержимое или твердое.

Разобравшись с этой задачей, Фейнман подкинул жестянку супа в воздух, нашел еще одну банку консервов, на этот раз с твердым содержимым, подбросил ее тоже и спросил детей, какая из банок упала быстрее. Базируясь на наблюдениях, они предположили, что та, внутри которой находится жидкость.

Ричард открыл жестянку, налил супа и показал, какими вкусными могут быть размышления по поводу физики.

Вместе с историей, посвященной банке консервов, Летиция вспоминала и другой визит Фейнмана, когда его небрежные манеры вступили в противоречие с более традиционными взглядами Джанет на то, как должен вести себя молодой человек. Супруга Уилера вошла, когда Ричард сидел, развалившись в кресле, и она сочла невежливым то, что он не встал, чтобы поприветствовать ее.

«У меня в памяти сохранился образ Фейнмана, – говорила Летиция. – У меня есть ощущение, что моя мать побеседовала с ним и заявила, что он должен вставать, когда с ним разговаривает женщина»²³.

Приглашать в гости магистрантов и молодых ученых было тогда общей практикой для преподавателей, особенно для тех, кто знал о европейской традиции частных резиденций как научных центров. Например, Нильс Бор и его жена Маргарет с удовольствием принимали начинающих исследователей в своем доме в Копенгагене, смешивая интересные дискуссии с легендарным датским радушием.

Сам Уилер бывал у своего наставника, а позже он смог вернуть услугу, когда уже они с супругой несколько раз приглашали к себе Бора. Для детей было волнующим приключением, когда настолько известный физик и его жена приезжали к ним в дом. Летиция прекрасно помнила, как она встречала миссис Бор, и даже у Элисон сохранилось кое-что в памяти.

Она рассказывала: «Нильс Бор сидел в любимом красном кресле моей матери. Говорил очень неразборчиво, и было трудно понять хотя бы слово из того, что он сказал»²⁴.

Цепная реакция

Невзирая на неразборчивую речь, предупреждение Бора оказало нужное воздействие на научное сообщество. Его тихие ремарки на семинаре с участием молодых ученых, в зависимости от их тона, могли поддержать или загнать в тупик карьеру выступающего.

Когда Бор выглядел возбужденным, как в день объявления о немецком открытии ядерного распада, коллеги-физики всегда принимали его слова во внимание.

Уже несколько ученых высказали тревогу по поводу того, что нацистская Германия может получить ядерное оружие, но от властей в ответ не прозвучало ничего, поскольку иногда Вашингтон действует очень медленно. Хотя Ферми контактировал с ВМФ в марте 1939-го, а Эйнштейн впервые написал Рузвельту в августе того же года, президент не увидел в деле никакой срочности.

Побуждаемый Силардом Эйнштейн отправил еще два письма в 1940-м, и правительство США наконец выделило около шести тысяч долларов на исследования в области ядерного распада (около 100 тысяч современных долларов, учитывая инфляцию). Только 6 декабря 1941 года, за день до того, как Япония атаковала Перл-Харбор, и Соединенные Штаты вступили в войну, стартовала по-настоящему, с хорошим финансированием американская атомная программа, позже получившая кодовое название «Проект «Манхэттен».

Статья Бора и Уилера показала: есть два возможных материала, с помощью которых можно запустить цепную реакцию: уран-235 и плутоний-239. Но чтобы получить каждый в достаточном количестве, требовались значительные технологические усилия. Уран-235 составляет крошечную долю в урановой руде, его нужно отделять от намного более распространенного урана-238. Исследования показали, что чисто химические процессы и другие общие методы разделения составляющих в данном случае не работают.

С плутонием-239 проблема состояла в ином: этот полностью искусственный элемент можно было создать только в ядерном реакторе посредством трансмутации урана.

Впереди маячили и другие трудности, такие как определение критической массы материала, необходимой для запуска цепной реакции, подготовка и хранение этого материала и так далее. «Манхэттен» стал в результате несравненным научно-техническим подвигом, в совершении которого приняли участие многие лучшие умы США (а также союзных Канады и Великобритании).

Фейнман и Уилер оказались завербованы, хотя решали разные задачи в разных точках пространства.

Уилер позже думал, что союзникам следовало намного сильнее торопиться с программой изготовления атомной бомбы. Ведь прошло два года между первым письмом Эйнштейна Рузвельту и стартом проекта, и еще четыре года понабилось на то, чтобы бомбы сконструировать, протестировать и сбросить.

В то время как его коллеги сожалели об опустошениях, оставленных ядерным оружием, Уилер представлял альтернативно-исторические сценарии, в которых союзники побеждали нацистов много раньше. Не могло ли ускорение работ и более ранний ввод в действие атомной бомбы, размышлял он, спасти миллионы жизней?

Но пока война была за океаном, и Джон провел 1940-й и 1941-й годы, глубоко погрузившись в совместные с Фейнманом теоретические проекты. В тот момент он рассматривал конфликт как чисто европейскую проблему и предпочитал сражаться на научном поприще на пару с молодым протеже. И куда чаще, чем о ядерном распаде, они размышляли о том, как взаимодействуют частицы на фундаментальном уровне.

Фейнман выбрал Уилера как научного руководителя при написании диссертации, и тот с радостью согласился, таким образом их близкие рабочие отношения приобрели формальный статус. Встречаясь в Файн-холле, лаборатории Палмера или в доме на Баттл-роад, созваниваясь по телефону и находя множество путей воспламенить воображение друг друга, они начали закладывать основание для революционного переворота в физике.

Война казалась эфемерной, а научная истина – вечной.

Глава вторая
Единственная частица во Вселенной

Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковые заряд и масса… Просто это один и тот же электрон.

Джон А. Уилер. по сообщению Ричарда Ф. Фейнмана

Его блестящий ум рождал семена оригинальных идей, по всей видимости, невозможных идей, и те падали на благородную почву, поскольку я никогда не возражал там, где любой другой немедленно возразил бы.

Ричард Ф. Фейнман. описывая рабочие отношения с Джоном А. Уилером

Соленые волны Атлантики снова и снова обрушиваются на Рокэуэй-бич, отбивая непрекращающийся ритм. Прибой и песок колышутся точно так же, как и в те дни, когда Фейнман был ребенком. Сотнями миль севернее, в скалистом Мэне, океан пытается разбить вдребезги Хай-Айленд, остров, где Уилеры один раз были на каникулах. Великие физики приходят и уходят, но приливы и отливы возникают там, где встречаются вода и суша, с незапамятных времен.

Маяки отмечают береговую линию, бросая конусы света в сторону погруженного во мрак океана. Точно так же как перемещение молекул воды заставляет море волноваться, перемещение электронов создает световые волны, и в каждом случае движение частиц генерирует последовательность колебаний, распространяющихся через свою среду.

Но на этом сходство кончается.

Волны на воде – механический феномен, который требует материального носителя, а электромагнитное излучение, в том числе видимый свет, может проходить через пустое пространство так же хорошо, как и сквозь материю. Стандартное объяснение этого феномена: электромагнитные волны формируют дуэт электрического и магнитного полей, колеблющихся перпендикулярно друг другу со скоростью света.

«Поле» – что-то вроде рельефа определенного показателя (например электрической напряженности), позволяющего обрисовать, как изменяется значение этого показателя во время движения через пространство. Это нечто вроде карты с нанесенными на нее данными (например, координатами GPS, плотностью населения, высотой над уровнем моря), которые приписаны каждой точке. Поля, чьи показатели характеризуются только значением, именуются «скалярными», а поля, где каждой точке приписано кроме значения еще и указание, в каком направлении и как меняется избранный показатель, называются «векторными».

Подумайте о карте погоды, чтобы понять разницу между скалярным и векторным полем. В любой момент времени в любой точке существует определенная температура, и следовательно, данные о температуре формируют скалярное поле. Но в каждой точке есть и определенная скорость ветра, но здесь у нас, помимо собственно величины (метры в секунду), есть еще и направление – куда ветер дует, поэтому карта скорости ветра составит векторное поле.

В классической теории электромагнетизма векторные поля переносят и электрическую, и магнитную силу. Эти поля заполняют пространство словно безграничное море энергии, электрические поля представляют величину и направление электрической силы на единицу заряда в каждой точке пространства, магнитные поля характеризуют величину магнитной силы на единицу движущегося заряда в каждой точке (по классике, только движущиеся заряды порождают магнетизм).

Поля не только действуют на заряды, они создаются зарядами: один или несколько электрических зарядов автоматически генерируют электрическое поле. Если этот заряд или набор зарядов движется, то непременно возникнет еще и магнитное поле. Направления электрического и магнитного полей, созданных одним набором зарядов, обычно отличаются на девяносто градусов.

Уравнения, предложенные Джеймсом Клерком Максвеллом, показывают, что движение этих полей распространяется с помощью своеобразного «эффекта домино». Изменение электрического поля естественным образом продуцирует изменение расположенного перпендикулярно магнитного, если изменяется второе, то неизбежно меняется первое, и таким образом своеобразный поезд из вибраций с пыхтением движется через пространство.

Это может происходить в вакууме точно так же, как и в плотной среде.

Чтобы начался этот процесс, требуется всего один получивший ускорение заряд, такой, как электрон, двигающийся вверх-вниз в пределах антенны. Это движение производит электрическое поле, колеблющееся вверх и вниз, и магнитное, движущееся вперед-назад (под прямым углом к электрическому). Колебания и движения провоцируют еще больше колебаний, формируя тем самым электромагнитную волну, ну а та со скоростью света путешествует через вакуум и несколько медленнее через материю.

Если волна врезается в другую антенну, она освобождает любой свободный электрон в ее пределах, давая ему возможность двигаться вверх-вниз. Таким образом шаблон с передающей антенны может быть легко воспроизведен на принимающей антенне. Радиосигналы передаются с помощью такого вот копирования – наборы волн, сгенерированные на радиостанции, могут быть переданы на приемник в автомобиле.

В случае с маяками трансляция – созданная в нитях накала, а не в антеннах – имеет более короткую волну и более высокую энергию, попадая тем самым в видимую часть спектра. Получается луч яркого света, легко заметный для путешествующих ночью моряков, которые весьма благодарны, что существует такое проявление электромагнетизма.

Сегодня концепция электромагнитных волн – несущейся через пространство волновой пульсации – принята практически повсеместно. Идея Максвелла была успешно модифицирована, чтобы соответствовать предсказаниям квантовой теории.

Но в начале сороковых годов, когда Джон Уилер и Ричард Фейнман проводили совместные исследования, было не до конца ясно, как выглядит полная квантовая картина электромагнетизма. Поэтому им было вовсе не обязательно включать идею поля в собственные модели. Наши герои рассматривали альтернативы, возрождавшие старую идею Ньютона о «действии на расстоянии»: отдаленное взаимодействие между частицами.