, 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 втораяЕдинственная частица во Вселенной
Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковые заряд и масса… Просто это один и тот же электрон.
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.
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.
Квантовый скачок электрона
Уилер и Фейнман хорошо понимали как преимущества, так и недостатки квантовой механики. Они знали, что в определенных областях она обеспечивает прекрасное сочетание теории с результатами измерений, а в других вовсе не оправдывает ожиданий.
Часто в таких случаях возникал ответ в виде бесконечности, как при попытке деления на ноль на современном калькуляторе. Работая вместе, Уилер и Фейнман решили взяться за эти дефекты всерьез, поставить квантовую физику на более прочную основу, и для этого отсортировать имеющиеся в ней ингредиенты, выбрать те, что абсолютно необходимы, и определить, возможно ли модифицировать или даже отбросить другие.
Чтобы понять, на сколь большую смену парадигмы отважились молодые физики, давайте сделаем шаг назад, к началу квантовой механики. Мы рассмотрим и нерелятивистскую (для низких скоростей) и релятивистскую (для скоростей, близких к скорости света) версии. Затем мы увидим, какие квантовые элементы Уилер и Фейнман сохранили, а какие они решили изменить или убрать вовсе в своих попытках реформировать основы физики.
В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, показавшую, что волновая картина электромагнетизма не объясняет все феномены. Переносимый фотонами или «волновыми пакетами» свет одновременно проявляет свойства волны и частицы. Эффект Комптона, где фотоны переносят энергию и импульс (свойства частицы), связанные с их частотой и длиной волны (свойства волны), представлял отличный пример исключения.