После многократных увещеваний мрачное облако депрессии начало понемногу рассеиваться.
Нервозность порой возникает по странным причинам, иногда если вы упорно движетесь к цели, то чувствуете себя таким подавленным, как Сизиф, созерцающий тот обломок камня, который ему неизвестно в какой уже раз надо тащить по крутому склону. Первые попытки Фейнмана вернуться к исследованиям после войны напоминали как раз сизифов труд.
Но если сосредоточиться на другой задаче, такой, как преподавание, и превратить тяжко дающуюся деятельность в нечто вроде хобби, то внезапно картина меняется, возвращается хладнокровие, а затем и энтузиазм.
Вскоре после беседы с Уилсоном Фейнман оказался в кафе, где увидел, как кто-то подбросил тарелку, просто ради забавы. Тарелка закачалась в воздухе и закрутилась. Ричард отметил, что, фиксируя позицию герба Корнелла, выглядевшего красным пятном на боку, он может определить соотношение между частотами вращения и качания.
Вскоре он записал динамические уравнения для качающихся и вращающихся объектов, и с их помощью получил тот же результат, что и при непосредственном наблюдении. Фейнман был прав! Но в чем смысл такого математического упражнения? Как он объяснил озадаченному Бете, не увидевшему связи с серьезными исследованиями, это просто развлечение, тренировка для мозга, помогающая вернуть веру в собственные возможности и интерес к физике.
Ричард ощутил, что машина разума обретает прежний ход, и начал думать, не вернуться ли ему к теме диссертации. Работа с Уилером сделала из него мастера в построении моделей взаимодействия элементарных частиц, он стал виртуозом в разработке эффективных математических инструментов.
Но диссертация была неполной, поскольку она не включала эффекты специальной теории относительности, квантовый спин и другие важные аспекты современной физики. Не спешили исчезать вопросы, поднятые Дираком, и такое большое количество аспектов квантового описания того, как ведет себя электрон, покоилось на шатком фундаменте.
Пришло время вернуться к работе, время развлечься как следует.
Прорехи Дирака
Когда Уилер и Фейнман трудились над теорией поглощения, они были далеки от задачи ликвидировать недостатки той системы уравнений, которую построил Дирак. Многие другие физики занимались этим, например Хендрик Крамерс, выдающийся голландский ученый, постоянно указывал на то, что он считал главными недостатками квантовой электродинамики.
Крамерс был правой рукой Бора много лет и поэтому имел авторитет в научных кругах.
Несмотря на всю красоту работы Дирака, Крамерс четко видел ее недостатки, и он провел специальное исследование, посвященное математическим недоработкам в теории. Многие из них можно было суммировать (точнее, суммировать как раз не получится) в единственном слове: расходимость. Мы упоминали, как бесконечная сумма, выводимая из одного уравнения Дирака, мотивировала Фейнмана на совместную работу с Уилером и привела к созданию теории поглощения.
Крамерс одно за другим указал те места в уравнениях Дирака, где наблюдалась расходимость. Бесконечности прекрасно чувствуют себя в математических моделях, но в физике они губят все. Бесконечная сумма делает любое вычисление бессмысленным, особенно если правильно проведенные эксперименты указывают на конечное значение.
В отличие от Уилера и Фейнмана Крамерс придерживался мнения, что электроны могут взаимодействовать с электромагнитным полем. В свете элегантности и простоты полевого объяснения электромагнетизма он не одобрял радикальную хирургию теории поглощения, где поля убирались совсем. Вместо этого он искал способы отделить полевые эффекты от электронов самих по себе.
«Самих по себе» в данном контексте означает ситуацию, где не существует поля.
Полученная в результате экспериментов масса электрона, утверждал он, комбинирует массу электрона самого по себе и массу, полученную взаимодействием электрона с полем, которое он создает (вспомним знаменитое уравнение Эйнштейна, согласно ему масса происходит из энергии). В процессе, названном «перенормировкой», доказывал Крамерс, массу самовоздействия можно вычесть из экспериментальной массы, чтобы получить более реалистичную величину.
В конечном итоге голландец надеялся удалить бесконечные величины из квантовой электродинамики, и тем самым получить возможность реалистично рассчитывать собственную энергию и другие физические величины.
Но любой революционный подход требует взвешенной проверки, чтобы подтвердить все его предсказания. Это применимо к гипотезам Крамерса, к теории поглощения Уилера – Фейнмана и ко всем другим попыткам разгадать загадку расхождения.
Результаты экспериментов начала 1947 года были обнародованы на конференции на Шелтер-Айленд, куда прибыли ведущие физики, включая Фейнмана, и после нее именно идеи Крамерса позволили поставить квантовую электродинамику на более прочное основание.
Собрание умов
Конференция на Шелтер-Айленд и несколько последующих таких встреч начались с блестящей идеи, пришедшей в голову Дункану Мак-Иннесу из Рокфеллеровского института – почему бы не направить в единый поток энергию звезд науки, нацелить ее на решение важнейших проблем физики. Он предложил эту концепцию Национальной академии наук США (НАН), и ее функционеры поддержали начинание.
Серия встреч оказала невероятно мощное влияние на современную науку.
Президент НАН Фрэнк Джеветт вместе с Мак-Иннесом продумал структуру конференции: он предложил серию коротких встреч, расписанных по темам, каждой из которых занимается группа экспертов. Само собой, академия выделила щедрое финансирование, имея в виду, что понадобятся хорошие условия для работы.
После первой конференции, посвященной биологической физике, вторую решили посвятить фундаментальным проблемам квантовой физики. Для ее организации предложили помощь два выдающихся физика, Карл Дарров, громогласный секретарь Американского физического общества, и его друг Леон Бриллюэн, имевший опыт организации знаменитых Сольвеевских конгрессов в Европе.
Последний, в свою очередь, обратился за поддержкой к Вольфгангу Паули54.
Паули посоветовал нечто, лежавшее далеко от планов Джеветта и Мак-Иннеса, он нарисовал картину большой конференции, куда приедут исследователи старшего поколения, занимавшиеся квантовой теорией до войны и желающие вернуться к теме. Вольфганг подумал в первую очередь об участниках из Европы и почти не вспомнил о собственно американской физике.
Мак-Иннес обсудил ситуацию с Джеветтом, и Паули было отправлено письмо с вежливым отказом. Мак-Иннес поблагодарил швейцарца, но объяснил, что они собираются устроить рабочее мероприятие с участием многообещающих исследователей, а не выставку почтенных профессоров.
Паули ответил и порекомендовал организаторам обратиться к Уилеру, куда лучше знакомому с молодежью.
Как обычно, Паули не ошибался, Уилер был тем человеком, кто мог навести мост между поколениями. Его манеры, выдержка и беглый немецкий позволяли Джону пользоваться уважением у европейских ученых старой школы, в то время как открытость и чувство юмора обеспечивали восхищение со стороны молодых американских физиков, таких как Фейнман.
Уилер благосклонно внял просьбе о помощи, ему понравилась идея – молодые теоретики, обсуждающие столь близкие его сердцу темы взаимодействия электронов и роли мезонов. Поначалу они вместе с Паули решили, что такую встречу есть смысл провести в Копенгагене, под крылом института Бора. Но потом вняли аргументу, что немногие американцы захотят отправиться в Данию, и решили уменьшить расходы. Карл Дарров посоветовал перенести мероприятие в США. Действительно, общие расходы на встречу составили бы менее 1000 долларов.
После месяцев планирования был выбран отель «Рэмз Хеад Инн» на Шелтер-Айленд. Остров мог обеспечить идеальные условия, чтобы собрать в тихом уютном месте выдающиеся умы современности. И в то же время он находился прямо на северо-восток от Лонг-Айленда, то есть очень близко к Нью-Йорку и южной части Новой Англии.
Даты выбрали так, чтобы мог присутствовать Оппенгеймер, тогда самый известный американский физик и главная «приманка» для молодых ученых.
Мак-Иннес вместе с Уилером долго трудились над списком приглашенных. Решили определить троих лидеров дискуссий, выбрав их из числа выдающихся физиков, чтобы каждый руководил секцией: Оппенгеймер, Крамерс и блестящий эмигрант из Австрии Виктор Вайскопф из МТИ.
Последний в свое время тоже участвовал в Манхэттенском проекте, и, подобно Крамерсу, он был протеже Бора. Что знаменательно, он работал помимо прочих с Максом Борном (он был научным руководителем Вайскопфа), Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером, Дираком и Паули, и список его наставников вполне годился на роль справочника «Кто есть кто в современной физике?».
Под влиянием того же Паули Вайскопф в 1939 году предложил инновационный подход к расчету энергии самовоздействия электрона (энергии, соответствующей его взаимодействию с электромагнитным полем, которое он сам и создает), позволяющий получить конечную величину. Подобно Крамерсу, он сохранял в модели понятие электромагнитного поля. Чтобы добыть подходящую квантовую величину энергии самовоздействия, он рассчитал эффекты «вакуумных флуктуаций».
Вакуумные флуктуации происходят, когда частицы спонтанно возникают из кажущейся пустоты пространства, существуют короткое время, а затем снова исчезают в бездне, словно дельфины, всплывшие подышать воздухом перед новым погружением. Например, электрон и позитрон могут появиться вместе, бросить летящий взгляд на реальность и быстро аннигилировать друг друга. Временное создание материи из чистого ничего допускается принципом неопределенности Гейзенберга, если время в данном случае достаточно короткое (чем больше масса, тем короче).
Другое ограничение на подобные неустойчивые феномены, известные как «виртуальные частицы», заключается в том, что они должны сохранять заряд. Именно по этой причине позитроны возникают в компании электронов, их заряды компенсируют друг друга.