Гений. Жизнь и наука Ричарда Фейнмана

Четкие фотографии и броское название, придуманное для новой частицы редактором журнала против воли Андерсона, узаконили существование позитрона. Физики-теоретики больше не могли его игнорировать. При столкновении электрона с его «побратимом» из мира антивещества высвобождалась энергия в виде гамма-лучей. Или, на языке Дирака, который представлял себе вакуум как живой бурлящий океан, испещренный дырами или пузырьками, электрон проваливался в дыру и заполнял ее собой, вследствие чего и дыра, и электрон исчезали. Продолжив изучение снимков космических лучей, экспериментаторы выяснили, что есть и обратный процесс: гамма-луч, то есть высокочастотная частица света, был способен спонтанно произвести пару частиц — один электрон и один позитрон.

В теории Дирака наметились проблемные места: в ней, как и во всей его физике, возникали нежелательные бесконечности. Простейшее описание вакуума — пустое пространство в условиях абсолютного нуля — предполагало наличие бесконечной энергии и бесконечного заряда. А с практической точки зрения человека, пытающегося вывести уравнение, бесконечность частиц была чревата неприятными последствиями. В поисках выхода из этой ситуации Фейнман в очередной раз обратился к своей работе с Уилером в Принстоне и восприятию времени как потока, текущего в обоих направлениях. Он снова предложил пространственно-временное решение, в котором позитрон был электроном с противоположным знаком времени. Геометрия этого решения была проста, но весьма необычна, и Фейнману стоило большого труда подобрать метафору для ее описания:

«Представьте, что в куб с коллодием поместили черную нить, после чего коллодий отвердевает, — писал он. — Нить тянется сверху вниз произвольным образом. Затем куб нарезают по горизонтали на тонкие квадратные секции; из этих срезов, как из последовательно сменяющих друг друга кадров, составляют фильм». На каждом таком срезе будет присутствовать точка, и она будет перемещаться, шаг за шагом повторяя траекторию нити. А теперь представьте, объяснял Фейнман, что нить в кубе изогнулась в форме буквы N. Стороннему наблюдателю, который видит только срезы, но не нить целиком, эта картина напомнит образование пары «частица/античастица»:

«На последовательных срезах сначала будет видна лишь одна точка, но потом появятся еще две — срезанные участки изогнувшейся нити. Все три точки будут какое-то время двигаться вместе, затем две из них сойдутся и «обнулятся», и на последних кадрах вы опять увидите одну точку».

С помощью обычных уравнений, которые позволяют вычислить движение электрона, можно рассчитать и эту модель, хотя понадобится пройти «более сложный путь в пространстве и времени, чем тот, к которому мы привыкли». Сравнение с нитью не нравилось Фейнману; он искал метафоры, которые точнее бы выразили его точку зрения, запечатлели бы саму суть различия между траекторией нити «в срезе», то есть в конкретный момент времени, и явлением в целом. Но потом студент Корнелла, в войну служивший пилотом бомбардировщика, предложил сравнение, которое Фейнман позже использовал в своей работе и которое стало знаменитым.

Итак, пилот следит за дорогой через прицел низко летящего бомбардировщика и вдруг видит не одну, а три дороги. Он испытывает смятение, которое вскоре проходит, так как два новых «разветвления» сходятся и исчезают; пилот понимает, что мгновением раньше пролетел место, где дорога поворачивает в обратном направлении, изгибаясь в форме буквы N. Тот участок, где дорога идет назад, соответствует позитрону — он возникает одновременно с первым электроном, движется и аннигилирует с другим электроном.