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

Пространство откладываем по одной оси координат, время – по другой и получаем сущность того, как ведут себя частицы. И, в качестве бонуса, пространственно-временные диаграммы выглядят идеально для того, чтобы включить в рассмотрение эффекты специальной теории относительности. Такие репрезентации в виде рисунков, впоследствии получившие развитие в дискуссиях с Фрименом Дайсоном о графах в математике, вскоре стали известны как «диаграммы Фейнмана».

Ранние их образцы выглядели сравнительно примитивными, скорее, набросками. Постепенно, обсуждая технику с Фрименом, Ричард выработал строгий порядок их создания, а вклад первого в разработку метода был так велик, что многие ранние отсылки к нему упоминают Дайсона как соавтора.

В финальной версии диаграмм Фейнмана электроны (и другие частицы материи) изображались в качестве отрезков прямой, нацеленных вперед во времени, и стрелки обычно указывали их направление. Позитроны тоже представали как отрезки прямой, но ориентированные назад во времени. Волнистые линии символизировали фотоны, как они испускаются или поглощаются заряженными частицами, или как улетают в пространство. Петли показывали виртуальный электрон и виртуальный позитрон (или другую пару частица-античастица), появляющиеся из вакуума и затем возвращающиеся в него посредством взаимной аннигиляции.

Другой способ восприятия описанного петлей процесса – виртуальный электрон кружит через время, назад и вперед, снова и снова; и в этом смысле замкнутый круг символизировал нечто вроде квантового Уробороса (змея, поедающая собственный хвост).

Следовательно, для электрона, испускающего фотон, который будет захвачен другим электроном, диаграмма покажет отрезки прямой для каждого влетающего электрона, волнистую линию, соединяющую их пути, и направленные под различными углами отрезки для исходящих электронов. Изменение в направлениях электронов станет результатом обмена фотонами, а стрелка для каждого электрона будет направлена вперед во времени; иначе диаграмма отобразит позитроны.

Чтобы принять в расчет интеграл по траекториям, Фейнман рисовал отдельную диаграмму для каждой из возможных траекторий. Конечно, некоторые являлись менее вероятными, чем другие, но в расчетах должны были участвовать все, взвешенные с учетом их вероятности. Следовательно, типичное событие в жизни частиц, такое как рассеивание, будет описываться набором диаграмм, а не одной.

Еще Ричард рассчитывал возможные значения для спинового квантового числа, другого важного фактора.

Чтобы показать, как вакуумные эффекты производят Лэмбовский сдвиг, Фейнман изобразил отрезок прямой для «голого электрона» и назвал его «прямым путем». После этого он пририсовал к сегменту волнистую кривую, показывая, что произойдет, если электрон испустит, а затем поглотит виртуальный фотон. Он интерпретировал введение фотона как «коррекцию», соответствующую определенной квантовой флуктуации.

Это была одна из возможных траекторий.

Другая диаграмма, с которой Фейнман работал позже, включала петлю, соединенную с отрезком посредством волнистой линии. Диаграмма описывала электрон, испускающий виртуальный фотон, в свою очередь, производящий виртуальную пару частица-античастица.

Добавив эти две диаграммы, Ричард получил коррекцию первого порядка (самую базовую) к энергии электрона, дающую приближенное значение для спектрального сдвига, зарегистрированного Лэмбом и Резерфордом. Чтобы получить коррекцию второго порядка, необходимо использовать диаграммы с двумя петлями, и т. д.

В своем стремлении добиться правильных значений Фейнман позволял себе некоторые вольности. Пока он разрабатывал метод диаграмм, он не проверял их математическую точность.

Тем не менее схема, пусть с поправками, но работала. Она была чем-то вроде временной радарной системы, созданной с помощью кучи проводов, когда радость вызывает сам факт, что она функционирует, что засветки появляются на экране, а мысли по поводу того, верно ли соединены все контакты, не приходят в голову.

«Ты знаешь, что большая часть моей работы в какой-то степени удачная догадка, – писал Фейнман позже физику Теду Велтону из Пенсильванского университета, старому другу по МТИ. – Математическое обоснование обычно следует за физическими идеями, которые я не всегда полностью понимаю, хотя они кажутся мне очень простыми»⁵⁸.

Фейнман преимущественно заботился о том, соответствуют ли его результаты экспериментальным данным или нет. Математики и философы могут тратить силы, споря о причине и рифме, но только не он. Когда диаграммы Ричарда давали корректный ответ предсказуемым образом, он чувствовал себя счастливым.

Как заметил историк науки Дэвид Кайзер: «Фейнман пылко верил, что диаграммы были более важными и значимыми, чем обоснование их применения. Фактически Фейнман игнорировал эту тему в его статьях, лекциях и переписке»⁵⁹.