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

Подобно дуэтам музыкантов, заполняющим воздух чарующей музыкой, электроны создают радуги, восходы солнца, удары молнии и громадное количество других видимых и невидимых проявлений, вступая для этого во взаимодействие друг с другом. Стандартная квантовая теория предполагала, что фотоны – не более чем посредники, иными словами, «частицы обмена», которые переносят силу, перемещаясь туда-сюда. Теория поглощения Уилера – Фейнмана смотрела на вещи иначе, с ее точки зрения электроны (и позитроны) могли генерировать свет посредством собственной подстройки.

Мир частиц таким образом становился проще.

Уилер полагал, что его страсть к минимализму произрастает из протестантского воспитания. Он был всю жизнь унитарианцем, представителем религиозного направления, которое извлекает унифицирующий принцип из разноплановых верований. Следуя этому принципу, он ревностно искал сущность вещей, заглядывал под поверхностные различия.

Как мебельщик, который в процессе работы использует пилу, молоток и гвозди, Уилер считал простоту достоинством. Материалы, с которыми он имел дело, могли меняться со временем, но отношение к основам мироздания оставалось всегда одинаковым.

Он описывал свою страсть следующим образом:

«И с течением времени все громче, вне сомнений, звучала литания, которую многие студенты были обучены повторять с бессмысленной верой, точно катехизис: есть четыре базовых силы, сильное взаимодействие, слабое, электромагнетизм и гравитация. Только мое протестантское происхождение вынудило меня отвергнуть этот катехизис. Какую более простую веру мог я поместить на освободившееся место? Идеалы простоты и единства, недосягаемые ныне и, возможно, лежащие во многих годах от настоящего. Возьмем одну силу, электромагнетизм, и попробуем узнать, где находятся ее пределы. Единственный этот шаг создал программу, достаточно четкую и амбициозную, чтобы я мог всецело посвятить себя ей»⁴⁹.

Работая в рамках идеологии упрощения, Уилер был не прочь произвести все известные частицы и силы от электронов и позитронов. Он опубликовал статью, в которой использовал термин «полиэлектроны», чтобы описать сорт «атомов» или «молекул», созданных из пар электрон-позитрон. Неким образом он надеялся идентифицировать такие конструкты среди обитателей царства частиц.

Пара из одного электрона и одного позитрона дает на удивление нестабильную пародию на атом, именуемую «позитронием», два атома позитрония создают молекулу дипозитрония. Инновация Уилера состояла в том, что он представлял мир, построенный только из электронов и позитронов, сгруппированных в атомы и молекулы, неким образом более фундаментальный, чем стандартная смесь из протонов, нейтронов и электронов.

И пусть в конечном итоге стало ясно, что протоны и нейтроны не могут состоять из электронов и позитронов, он все же находился на верном пути.

Десятилетиями позже ученые поняли, что протоны и нейтроны сложены из кварков и антикварков, которые как точечные частицы могут быть кузенами электронов и позитронов. Так что семья фундаментальных частиц оказалась больше, чем некогда полагал Уилер.

Исследование по поводу полиэлектронов, пусть чисто умозрительное, вызвало одобрение. Нью-Йоркская академия наук, уважаемая группа ученых, наградила Уилера в 1947 году престижной премией Кресси Моррисона и по этому поводу напечатала статью в своем ежегоднике. Эта премия стала первой в числе многочисленных наград, которые наш герой получил за долгую карьеру.

К этому времени как раз возникло понимание того, что в природе существуют три – максимум четыре – фундаментальных силы. Теоретики пытались разобраться в их взаимодействиях, используя язык квантовой механики.

Уилер и Фейнман сосредоточились на электромагнетизме, который долго изучали с классической точки зрения, используя уравнения Максвелла, хотя он нуждался и в квантовом описании. Другим хорошо изученным взаимодействием была гравитация, признанным ее толкованием стала общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

Несколько ученых попытались квантовать ее, но без особого успеха.

Теории электромагнетизма и гравитации объясняли невероятно широкий спектр феноменов – от работы моторов до вращения планет, но их нельзя было приложить к некоторым явлениям, имеющим место в атомном ядре. Взять хотя бы радиоактивный распад нейтронов на протоны, электроны и (о чем узнали позже) антинейтрино. Этому процессу, названному «бета-распадом», недоставало полного объяснения, несмотря на попытки Энрико Ферми и других описать его.

Целостное описание, в создании которого Фейнман сыграл одну из главных ролей, породило термин «слабое взаимодействие».

Другой важный процесс, требовавший удовлетворительного объяснения, крылся в силе, склеивавшей между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в пределах атомного ядра. Мощное притяжение, действующее на очень коротких дистанциях, позже было названо «сильным взаимодействием».