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

Уилер и Эйнштейн жили в одном районе, часто пересекались на втором этаже Файн-холла до того, как институт переехал в собственное помещение, и знали друг друга хорошо. Напрасные попытки второго создать теорию всего начались в середине 20-х годов, и, погрузившись в них, Эйнштейн большей частью игнорировал современные исследования в таких областях как физика частиц или атомная физика.

Коллеги чаще смотрели на австрийца как на реликт, и немногие отваживались углубиться в таинственную реальность гравитационной теории, которая ассоциировалась с успехами в прошлом и провалами недавнего времени.

Величайший прорыв в теории гравитации, сделанный в те годы, остался по большому счету незамеченным. Статья «О безграничном гравитационном сжатии», написанная в Калифорнийском университете (Беркли) Робертом Оппенгеймером и его студентом Хартландом Снайдером, была опубликована 1 сентября 1939 года и показала, что достаточно массивная звезда после того, как выгорает ее «топливо», сжимается в компактный объект столь плотный и гравитационно мощный, что даже свет не может избежать его притяжения.

В шестидесятых годах Уилер с радостью принял эту концепцию, пустил в оборот термин «черная дыра» и сфокусировал внимание на странных выводах из первоначальной концепции.

Но в тридцатых его интерес лежал совсем в других областях.

По совпадению, работа Бора и Уилера «Механизм ядерного распада» вышла из печати в тот же день, и в ней объяснялось, почему некоторые типы атомов распадаются легче других, и появилась она в том же самом престижном журнале, что и статья Оппенгеймера – Снайдера, в Physical Review. В тот же день, как мы уже говорили, началась Вторая мировая война в Европе, а семейство Уилера перебралось в новый превосходный дом по адресу Баттл-роад, 95 в Принстоне.

Для Уилера настало время заняться новыми теоретическими проблемами, и Фейнман оказался в этом деле отличным соратником.

Все рассеивается

Еще до того, как заняться изучением ядерного распада, Уилер активно интересовался таким феноменом как «рассеяние частиц». Рассеяние происходит, когда частицы взаимодействуют друг с другом и отклоняются, подобно тому, как мячик, по которому ударили ракеткой, отскакивает в случайном на первый взгляд направлении.

Это происходит, на классическом (повседневном) и субатомном (квантовом) уровнях реальности.

Физикам нравится делать предсказания, а в случае теннисных упражнений подготовленный теоретик, имеющий данные о том, как именно соприкоснулись мячик и ракетка, сможет рассчитать, как произойдет отскок. Это классическая задача, с которой можно справиться, используя законы механики Ньютона.

Уилер больше интересовался эффектом Комптона, квантовым процессом на субатомным уровне, который не так легко объяснить с точки зрения физики Ньютона. Впервые его обнаружил американский физик Артур Комптон, получивший Нобелевскую премию за это открытие.

Эффект Комптона связан с тем, как ведет себя свет, рассеянный электроном.

Свет падает на электрон, и электрон приобретает энергию и импульс (масса, умноженная на скорость), которые тащат его в определенном направлении как брошенное метательное копье. В процессе он сам излучает свет с большей длиной волны (расстояние между пиками), чем была у исходного, и тот распространяется под углом, отличным от движения электрона.

Для видимого света длина волны соотносится с цветом, так что вторичный свет будет иметь иной оттенок, чем оригинальный, сдвигаясь к красному концу спектра. Обычно эффект Комптона возникает при работе с невидимыми рентгеновскими лучами, и при этом получаются те же рентгеновские лучи, только с большей длиной волны.

Важность эффекта Комптона в том, что квантовая теория точно предсказывает разницу между начальной и конечной длиной волны, и угол рассеяния между электроном и испущенным светом тоже. Это достижение раскрывает сущность квантовой гипотезы, впервые предложенной Максом Планком в 1900 году и доработанной Эйнштейном в 1905-м, которая носит название «фотоэлектрический эффект».

Термин «квант» сам по себе обозначает «порция», и возник он потому, что свет выделяется небольшими порциями, или квантами, энергии. Мельчайшие единицы света – волна делится на частицы, словно засунутая в коробку пружина – именуются фотонами. Поскольку большая часть светового спектра невидима, за исключением участка от красного до фиолетового, то большинство существующих фотонов точно так же невидимы.

Фотоны служат частицами обмена в электромагнитном взаимодействии, всякий раз, когда заряженная частица, такая как электрон, притягивает или отталкивает другую заряженную частицу с помощью электричества или магнетизма, фотон прыгает между ними. Без такого обмена заряды будут просто игнорировать друг друга, и не будет ни притяжения, ни отталкивания.

Так что если ваш магнитик со щелчком прилипает к холодильнику, то благодарите фотоны (скорее невидимые, чем оптические) за их роль переносчиков электромагнитной энергии.