Наука. Величайшие теории. Выпуск 6. Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика - Мигуэль Ангел Сабадел

Трудолюбие — единственная основа любого открытия.

Ричард Фейнман

А в тот день, 11 мая 1918 года, мысли Мел вилла были заняты не политикой, а рождением его первого сына. Согласно семейной легенде, он сказал своей жене Люсиль: «Если родится мальчик, то он будет ученым», на что она ответила: «Не дели шкуру не убитого медведя».

Мелвилл всегда интересовался науками, но в те времена стать ученым для еврея-иммигранта было недостижимой мечтой. Поэтому он занялся торговлей: продавал униформу для полиции, грузовики для почтовой службы, воск для автомобилей... Однако его методы воспитания оказались весьма успешными. По прошествии лет его сын Ричард признался в том, что не заметил, как отец подтолкнул его к увлечению наукой, поскольку никогда не слышал от него фраз вроде: «Ты должен изучать физику». Зато Мелвилл показал своему сыну, как следует заниматься наукой, то есть задавать себе вопросы вместо того, чтобы довольствоваться уже готовыми ответами; быть более внимательным к тому, что еще остается тайной, чем к тому, что уже известно. Подобным образом он показал ему, что можно жить, не зная существующих ответов на важные вопросы, и что даже лучше так жить. Со своей стороны, Люсиль привила своему сыну чувство юмора, самоиронию и, особенно, мужество первооткрывателя. Все эти качества окажутся решающими в будущей жизни молодого Ричарда.

Когда «Ритти» было пять лет, у него появился младший брат. Его назвали Генри Филлипс в честь дедушки по материнской линии, умершего за год до его рождения. Однако семью ждало несчастье: через месяц, 25 февраля 1924 года, в возрасте четырех недель малыш заболел и умер, вероятнее всего от менингита. А в ноябре этого же года, в 5800 километрах от этого места, Луи де Бройль представил свою докторскую диссертацию по физике, по поводу которой Эйнштейн заявил: «Он поднял край великого занавеса», так как этот ученый только что навеки изменил представления о материи. Наступил решающий момент в революции, которая началась еще 30 лет назад, во время так называемого сиреневого десятилетия.

Последние годы XIX века были неспокойными для научного мира. Несмотря на мнение британского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который поддержал в 1900 году идею о том, что «больше нечего открывать в современной физике, остается лишь совершенствовать уже имеющееся», наука открыла электрон, частицу, происхождение которой никто не знал, и доказала, что некоторые урановые соединения являются источником неизвестных лучей. Новая загадка — радиоактивность — вошла в науку. Наконец, ситуация окончательно запутывалась тем, что две великие физические теории XIX века оказались несовместимыми между собой. С одной стороны находилась механика Ньютона, которая относилась к движению тел, а с другой — электромагнетизм, объясненный шотландцем Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Принцип относительности Галилея гласил, что законы механики в инерциальных системах отсчета всегда работают одинаково, независимо от того, находятся ли эти системы в неподвижности или в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Этот принцип отлично работал для воздушных шаров и камней, но не применялся к свету. Противоречия были сняты теорией относительности Эйнштейна, согласно которой механика Ньютона оказалась применима к телам, двигающимся с малой скоростью, и не годилась для тел, перемещающихся со скоростью, близкой к скорости света.

Кроме того, развитие термодинамики возродило гипотезу, немного устаревшую, но всегда являвшуюся источником полемики: материя состоит из крошечных и неделимых атомов. Это предположение позволило применить законы механики и благодаря им просчитать многочисленные физические свойства материи. Однако не все ученые были убеждены в правомерности такого подхода. Среди них был и немецкий ученый Макс Планк, специалист по классической термодинамике. Он считал, что атомы — «враги прогресса», и в конце концов они «должны быть забыты ради предположения о непрерывности материи». Любопытно, что этот же ученый станет протагонистом самых важных концептуальных революций в истории науки. Он сообщит абсурдный для его современников факт 14 декабря 1900 года в Немецком физическом обществе: материя не может поглощать энергию бесконечно маленькими порциями. Существует минимальное количество энергии, квант, ниже которого нельзя опускаться. Его значение можно получить с помощью простого уравнения, соединяющего энергию и частоту света («цвет» света): Е = hv; h — коэффициент пропорциональности, известный впоследствии как постоянная Планка. Через пять лет Альберт Эйнштейн пошел дальше, чтобы объяснить фотоэлектрический эффект (рисунок 1), который благодаря ему прочно вошел в нашу жизнь: он используется, например, при работе автоматических дверей, цифровых фотоаппаратов и турникетов, при включении уличных фонарей при наступлении темноты и так далее. В одной из своих больших статей (опубликованной в легендарном 17-м выпуске журнала Annalen derPhysik) он утверждал, что не только материя поглощает излучения квантами, но и сам свет имеет квантовую природу Идея, о которой не упоминали со времен Ньютона: свет действует как поток частиц, фотонов.

РИС. 1

Фотоэлектрический эффект заключается в испускании электронов с металлической поверхности под действием света определенной частоты. Именно Эйнштейн объяснил это явление.

Понемногу материя начинала приоткрывать свои тайны. В 1904 году Джозеф Томсон предложил модель атома, в которой электроны были распределены внутри сферы, как изюм в пудинге. Но опыты, проведенные в 1911 году новозеландцем Эрнестом Резерфордом, доказали несостоятельность этой модели. Резерфорд, совместно с Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, бомбардировал альфа-частицами (состоящими из двух протонов и двух нейтронов, что идентично ядру атома гелия-4) очень тонкую золотую пластинку. Вопреки всем ожиданиям, было обнаружено отклонение альфа-частиц на большие углы. На углы более 90° отклонялась одна частица из 8000, иногда наблюдался даже их отскок назад. Резерфорд очень удивился: это было столь же невероятно, как если бы он стрелял снарядом в лист бумаги, а снаряд отбросило бы назад! Согласно модели атома Томсона, такой результат был невозможен. Единственный способ интерпретировать эти результаты — предложить иную атомную модель, аналогичную Солнечной системе в миниатюре. Она будет образована очень маленьким ядром, содержащим почти всю массу атома и положительно заряженным, вокруг которого будут вращаться электроны. Однако, согласно законам классической электродинамики, двигающиеся по круговой орбите электроны должны неизбежно потерять энергию при излучении электромагнитных волн и в конечном итоге упасть на ядро. То есть если модель Резерфорда (рисунок 2) была правильной, то материя не могла существовать. Но она существует!

РИС. 2