Читать «КЭД – странная теория света и вещества»

© Richard P. Feynman, 1985

© Перевод. С. Тиходеев, 2012

© AST Publishers, 2018

Уникальный автограф знаменитой диаграммы Фейнмана, подписанный самим Фейнманом; изображение любезно предоставил Дж. М. Пасачофф (Jay М. Pasachoff, Fields Memorial Professor of Astronomy at Williams College). Диаграмма была изображена на первых страницах его экземпляра первого издания КЭД.

Книга, которую Вы держите в руках, уникальна. Ее автор – замечательный физик-теоретик, один из главных создателей современной квантовой электродинамики – рассказал об основах этой науки с необыкновенным мастерством.

Хотя лекции, составившие книгу, были адресованы гуманитариям, книгу, без сомнения, с живым интересом и большой пользой для себя прочтут и старшеклассник, и студент-физик, и преподаватель физики, и физик-профессионал.

Узнав о готовящемся русском издании, Ричард Фейнман прислал письмо, содержащее некоторые исправления и уточнения исходного английского текста. Все они учтены при переводе.

Когда книга была еще в производстве, пришло печальное известие о кончине 15 февраля 1988 г. замечательного физика-теоретика нашего столетия, великого физика-педагога Ричарда Фейнмана.

Чтение лекций «Памяти Эликс Дж. Мотнер» было организовано в честь моей жены Эликс, скончавшейся в 1982 г. Эликс занималась английской литературой, но неизменно проявляла интерес ко многим областям науки. Поэтому и был создан фонд ее имени в целях ежегодного проведения цикла лекций, которые приобщали бы думающих и заинтересованных людей к идеям и достижениям науки.

Я очень рад, что Ричард Фейнман согласился прочитать первый цикл лекций. Мы дружим уже 55 лет, с самого детства в Фар-Рокуэй, штат Нью-Йорк. Ричард был знаком с Эликс около 22 лет, и ей давно хотелось, чтобы он составил такое объяснение физики элементарных частиц, которое было бы понятно ей и другим неспециалистам.

В дополнение я хотел бы выразить свою благодарность тем, кто принял участие в создании Фонда Эликс Дж. Мотнер и сделал возможным проведение этих лекций.

Ричард Фейнман стал легендарным в мире физики из-за своего особого взгляда на мир: ничего не принимая на веру и обдумывая каждую вещь заново, он часто достигает оригинального и глубокого понимания природы, причем его стиль отличают свежесть и элегантная простота.

Он известен также как энтузиаст преподавания физики. Фейнман, отклонявший бесчисленное множество предложений произнести речь в престижном обществе или организации, может быть «легкой добычей» для студента, который, проходя мимо его кабинета, попросит выступить в физическом клубе местной школы.

Эта книга представляет собой рискованную затею, на которую, насколько нам известно, никто еще не решался. Это честное прямое объяснение непрофессиональной аудитории довольно сложного предмета – квантовой электродинамики. Она задумана таким образом, чтобы дать заинтересованному читателю правильное представление о типе рассуждений, к которым прибегают физики, чтобы объяснить поведение Природы.

Если вы собираетесь изучать физику (или уже изучаете), вы не найдете в этой книге ничего такого, что придется «переучивать». Это полное описание, точное в каждой детали, некоего каркаса, на который новые, усовершенствованные концепции лягут без изменений. Для тех из вас, кто уже изучал физику, это будет открытием того, что же вы в действительности делали, производя сложные вычисления!

В детстве Ричарда Фейнмана вдохновила на занятия математическим анализом книга, которая начиналась так: «То, что может сделать один глупец, может и другой». Он хотел бы обратиться к своим читателям с похожими словами: «То, что может понять один глупец, может и другой».

Эта книга представляет собой запись лекций по квантовой электродинамике, прочитанных мною в Калифорнийском университете. Лекции записаны и отредактированы моим добрым другом Ральфом Лейтоном. Надо сказать, что рукопись претерпела значительные изменения. Преподавательский и писательский опыт мистера Лейтона оказался очень ценным, когда мы предприняли попытку ознакомить широкую аудиторию с этим центральным разделом физики.

Часто в «популярных» изложениях науки кажущаяся простота достигается за счет описания чего-то совсем другого, за счет существенного искажения того, что берутся описывать. Уважение к нашему предмету не позволило нам этого сделать. Мы провели в обсуждениях много часов, стараясь добиться максимальной ясности и простоты, и бескомпромиссно отвергали искажения истины.

Эликс Мотнер очень интересовалась физикой и часто просила меня что-нибудь ей объяснить. Я все хорошо объяснял (так же, как я объясняю студентам в Калтехе, когда они приходят ко мне по четвергам), но в итоге я так и не смог рассказать самого для меня интересного: мы каждый раз застревали на сумасшедших идеях квантовой механики. Я говорил ей, что не могу объяснить это за час или за вечер – на это потребуется много времени, – но я обещал, что когда-нибудь подготовлю цикл лекций на эту тему.

Я подготовил несколько лекций и отправился проверить их в Новую Зеландию – потому что Новая Зеландия далеко, и если бы лекции не имели успеха, это было бы ничего! В Новой Зеландии решили, что лекции хорошие. Итак, вот лекции, которые я на самом деле подготовил для Эликс, но, к несчастью, теперь я не могу обратиться непосредственно к ней.

Я хотел бы рассказать про известное в физике, а не про неизвестное. Обычно люди интересуются новейшими достижениями, которые позволяют перейти от одной теории к другой, так что не удается рассказать хоть что-нибудь про теорию, с которой мы как следует разобрались. Они всегда хотят знать то, чего мы сами не знаем. Поэтому вместо того, чтобы запутать вас множеством полуготовых малоизученных теорий, я хотел бы рассказать о предмете, исследованном весьма досконально. Я люблю эту область физики и считаю ее замечательной. Она называется квантовой электродинамикой, или, сокращенно, КЭД.

Основная задача моих лекций – как можно точнее описать странную теорию взаимодействия света и вещества или, точнее, взаимодействия света и электронов. Чтобы объяснить все, что я хочу, потребуется много времени. Но у нас впереди четыре лекции, так что я не буду торопиться, и мы во всем разберемся.

История физики состоит в синтезировании на основе множества явлений нескольких теорий. Например, с давних пор были известны тепловые, световые, звуковые явления, движение и гравитация. Однако после того как сэр Исаак Ньютон объяснил законы движения, оказалось, что некоторые из этих на первый взгляд не связанных вещей – разные стороны одного и того же явления. Например, звуковые явления – это не что иное, как движение атомов воздуха. Так что звук перестали считать чем-то отдельным от движения. Обнаружилось также, что и тепловые явления легко объясняются законами движения. Таким образом, огромные разделы физики сливались в более простую теорию. С другой стороны, гравитацию не удавалось объяснить законами движения, и даже сегодня она стоит обособленно от всех прочих теорий. Гравитацию пока нельзя объяснить никакими другими явлениями.

За синтезом явлений движения, тепла