Автобус неспешно тащился через разные боро Нью-Йорка, затем через округ Саффолк, пропуская множество автомобилей, двигавшихся в обратном направлении. Праздничные выходные подходили к концу, и народ массово возвращался в город с пляжей.
Наверняка водители удивились бы, знай они, что в автобусе едут многие из создателей атомной бомбы.
Но едва физики прибыли в Гринпорт, как местные поняли, что происходит нечто. Полицейские на мотоциклах проводили гостей через поселок, перекрыв все движение на перекрестках, а затем автобус добрался до отеля, где ученым предстояло провести ночь.
Фейнман присоединился к группе в ресторане, где физиков накормили до отвала. Когда с трапезой было покончено, хозяин отеля поднялся и поблагодарил ученых за то, что они выиграли войну; его сын служил на Тихом океане, когда Япония сдалась, и вернулся домой живым и здоровым.
На следующий день ученые пересели на паром, и в конечном итоге прибыли в «Рэмз Хеад Инн».
Конференция длилась три дня, со 2 по 4 июня, и каждое утро начиналось с речи одного из лидеров дискуссий – последовательно Оппенгеймер, Крамерс и Вайскопф. Затем разворачивались собственно обсуждения.
Кое-кто вспоминал, что давящее присутствие Оппенгеймера ощущалось все время.
Доклад Лэмба, как и предвидели Швингер и Вайскопф, вызвал большое оживление, но и сообщения о других экспериментах дали теоретикам много пищи для размышлений. Исидор Раби, работавший в двух разных лабораториях Колумбийского университета, побудил двух своих аспирантов, Джона Нейфа и Эдварда Нельсона, провести высокоточный эксперимент, нацеленный на то, чтобы измерить «магнитный момент» электрона, физический параметр, связанный с тем, как частица реагирует на магнитное поле.
Физики на конференции в Шелтер-Айленд, 1947 год. Слева направо: Уиллис Лэмб, Абрахам Пайс, Джон Уилер, Ричард Фейнман, Герман Фешбах и Джулиан Швингер.
Источник: AIP Emilio Segre Visual Archives.
Раби объявил на конференции, что его команда добилась несколько большего, чем они ожидали. Он доложил об аномальных результатах в измерении той же величины, полученных его коллегой Поликарпом Кушем, который использовал другие методы.
Грегори Брейт, сотрудничавший с Раби в том, что касалось интерпретации экспериментальных данных, сделал доклад по поводу понимания затронутой темы. Продемонстрировал, что расхождение между исходным и скорректированным магнитным моментом выглядит пропорциональным к важному теоретическому параметру, именуемому «постоянная тонкой структуры». Ее обычно обозначают греческой буквой альфа, а равняется она 1/137. Постоянная тонкой структуры характеризует величину электромагнитной силы, она определяет, как будут взаимодействовать между собой заряженные частицы, такие как электроны и фотоны.
Если принять, что такая пропорциональность не является просто совпадением, эта связь между расхождением и постоянной тонкой структуры может продемонстрировать, как виртуальные фотоны вакуума каким-то образом оказывают влияние на магнитные свойства электронов.
Лэмбовский сдвиг и аномальный магнитный момент электрона указывали, что нужно пересмотреть модель электрона. Поэтому большая часть дискуссий на конференции крутилась вокруг этого вопроса.
Вайскопф предложил свои соображения, базирующиеся на гипотезе, что окружение электрона влияет на его свойства. Швингер согласился с этой точкой зрения и принялся размышлять о том, как переписать квантовую электродинамику, чтобы принять во внимание взаимодействие с вакуумом.
В голове он держал план последовательно воспроизвести все экспериментальные результаты. Но личные дела отвлекли его, ведь уже через несколько дней после завершения конференции Швингер вступил в брак с Клэрис Кэррол. Затем последовало длинное свадебное путешествие вокруг Соединенных Штатов, и лишь потом он смог вернуться к науке. Только в сентябре Джулиан приступил к переработке квантовой электродинамики в своей систематической и математически выразительной манере.
Фейнман выступил в последний день встречи на Шелтер-Айленд, когда все собирались домой. Он обнародовал то, что начал именовать «временно-пространственным подходом» к квантовой механике: в сущности, математические методы из диссертации Ричарда, примененные, чтобы описывать взаимодействия между электронами, и среди них интеграл по траекториям.
На этой стадии методика не могла объяснить феномен Лэмбовского сдвига. Концепция не выглядела зрелой, поэтому коллеги встретили доклад без воодушевления. После конференции Фейнман внес несколько важных изменений, более успешно применил свое представление и, в конце концов, добился цели – создал теорию, способную конкурировать со швингеровской, но совершенно с иным языком и уникальным взглядом на время.
Трюки на вечеринках
Конференция закончилась, и Фейнман отправился обратно в Корнелл.
Там он жил в Теллурид-хаус, специальном общежитии для студентов и преподавателей. Постояльцам предлагалось бесплатное питание и достаточно пространства для научной работы. Поскольку Ричард любил проводить время среди студентов, место казалось ему идеальным.
Ханс Бете вернулся в университет более хитрым путем – по менее вероятной траектории, если использовать терминологию интеграла по траекториям. Чтобы решить вопросы, связанные с консультациями для «Дженерал Электрик», он на несколько недель остановился в городке Скенектади.
В поезде по пути туда он взял карандаш и бумагу и принялся размышлять о том, как можно обсчитать Лэмбовский сдвиг. Подобно Фейнману, Бете любил работать на лету. Долина Гудзона катилась назад за окнами, и все больше и больше символов и чисел возникало на бумаге.
Бете начал с идеи, многократно обсужденной на конференции, что взаимодействия с квантовым вакуумом влияют на массу и энергию электрона. Убрав из рассмотрения постоянные отрезки времени, Ханс в итоге сумел добиться конечных величин. После прибытия на место он пустил в дело числа и понял, что попал в цель: получил величину, близкую к экспериментальной в 1000 мегациклов в секунду.
Достаточно странно, но на время своего отсутствия Бете запланировал вечеринку и пригласил туда Фейнмана. Когда стало ясно, что придется ехать в Скенектади, Ханс почему-то решил не отменять ее и даже не отложил. Зная, что Ричард появится у Бете дома, он решил туда позвонить, и в результате состоялся весьма оживленный и интересный разговор.
Узнав, что Бете удалось воспроизвести экспериментальную величину, Фейнман был заинтригован.
Бете записал свои расчеты по поводу Лэмбовского сдвига, разослал по мимеографической копии всем участникам конференции и представил статью для печати. Гипотеза не вызвала революции в квантовой электродинамике, поскольку не брала в расчет релятивистский эффект, но все же она показала, куда можно двигаться.
Вайскопф кипел от негодования, ведь это он изначально предложил идею, что Лэмбовский сдвиг является следствием взаимодействия облака виртуальных частиц. Определенно, он упоминал об этом на конференции и говорил о своих догадках Бете.
Только вот последний представил результаты так, будто сделал все сам! Вайскопф же чувствовал, что неплохо бы упомянуть его как соавтора или по меньшей мере поблагодарить за вклад. Он бранил себя за то, что не опубликовал свои догадки ранее, чтобы застолбить идею.
Как вспоминал физик Курт Готфрид, учившийся у Вайскопфа: «Вики… чувствовал, что Бете слишком сильно чествовали, но он также признавал, что сам вряд ли бы завершил все вычисления к тому моменту, когда Ханс подготовил работу к публикации. Некоторое время ситуация здорово его расстраивала»57.
Бете вернулся в Корнелл и решил организовать семинар по поводу своего открытия. Фейнман, находившийся среди слушателей, увидел, что хотя расчеты Ханса отлично подходят к Лэмбовскому сдвигу, они все же выглядят сделанными наобум, непоследовательными.
В них содержалось несколько сокращений бесконечных величин, не имевших адекватного обоснования. Просто Бете требовалось избавиться от бесконечностей, чтобы получить реалистичный, конечный ответ, и он это сделал, и в конечном итоге, словно в результате трюка фокусника, добыл искомые 1000 мегациклов в секунду.
Один плюс – бесконечность равна бесконечности. Два плюс бесконечность равна бесконечности, любое число при сложении с бесконечностью дает бесконечность. Следовательно, бесконечность минус бесконечность может равняться любому числу, и как мог Бете подтвердить то, что его собственное вычитание бесконечностей приводит к попаданию в яблочко?
Бете делал расчеты, не принимая во внимание релятивистский эффект, и об этом Фейнман сказал Хансу по окончании семинара, как и том, что специальную теорию относительности тоже нельзя игнорировать. На следующий день Ричард явился в кабинет к начальству с первыми прикидками по этому поводу.
А в последующие месяцы Фейнман приложил свой гений к тому, чтобы разработать принципиально новый подход к квантовой электродинамике, применимый как к Лэмбовскому сдвигу, так и к другим экспериментальным результатам.
Линии волнистые, линии прямые и петли
Использовав все инструменты, которыми он овладел в Принстоне, Фейнман начал понимать, что электроны взаимодействуют с квантовым вакуумом способом, изменяющим их массу и заряд. Ему понадобилось несколько этапов, чтобы привести свои результаты в соответствие с тем, что считалось нормальным.
Во-первых, нужно было ликвидировать утверждение, относящееся еще ко временам в МТИ, что электроны не взаимодействуют сами с собой.
Фактически они взаимодействуют, и об этом свидетельствует то, что они могут испускать виртуальный фотон, а затем поглощать его обратно. Эта идея лежала за пределами вычислений Бете, и Фейнман знал, что ему так или иначе придется принять ее.
Поэтому он отложил действие на расстоянии и вернулся к более стандартной концепции взаимодействия электронов через фотоны.
Во-вторых, требовалось отставить мысль о движущихся назад во времени сигналах и обратной причинности. Бете не включил в рассмотрение такую возможность, и, следовательно, она не требовалась и Фейнману. Все равно он сомневался, что на самом деле существуют подобные вещи, пусть даже теория поглощения настаивает на их реальности. Поэтому Ричард заменил смесь пятьдесят на пятьдесят прямых и обратных сигналов на сигналы, идущие только вперед.