НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1965 ГОДИНА – ФИЗИКА – РИЧАРД Ф. ФАЙМАН

Ричард Филипс Файнман (Richard P. Feynman)

11 май 1918 г. – 15 февруари 1988 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Шиничиро Томонага и Джулиан Швингър)

(За фундаменталната му работа по квантова електродинамика, имаща дълбоки последици за физиката на елементарните частици.)

Американският физик Ричард Филипс Файман е роден в Ню Йорк в семейството на Артър Файмън и Люсил Филипс. Заедно с по-малката си сестра той израства във Фар Рокауей в Куинс (район на Ню Йорк). Бащата на Файман, ръководител на отдел по продажби във фабрика за униформено облекло, се интересува живо от естествените науки и поощрява сина си да прави опити в своята домашна лаборатория. Заедно със своите училищни приятели Файман организира за съседите си представления, показвайки прости химически фокуси. Още като ученик в средното училище изкарва дребни суми за разходи като поправя радиоприемници. Когато става капитан на училищния отбор по алгебра, Файман открива способността си да решава бързо заплетени математически задачи, като ги разглежда цялостно и избягва обемистите изчисления.

След завършването на средно училище през 1935 г. Файман постъпва в Масачузетския технологичен институт (МТИ) и го завършва през 1939 г. с диплома на бакалавър по физика. В МТИ, както си спомня по-късно, той осъзнава, че „най-важният проблем на времето е неудовлетворителното състояние на квантовата теория за електричеството и магнетизма (квантовата електродинамика)“. Квантовата електродинамика се занимава с изучаването на взаимодействията между елементарните частици и между частиците и електромагнитното поле.

Множество предположения на съществуващата тогава теория, създадена от Вернер Хайзенберг, Волфганг Паули и П. А. М. Дирак, получават блестящи потвърждения, но в нейната структура има и не съвсем ясни моменти, например безкрайната маса и безкрайният заряд на електрона. Файман започва да разработва радикално нови теоретични подходи за решаването на тези проблеми. Той нарича допускането, че електронът въздейства сам на себе си (а именно това е източник за появата на безкрайности) „глупаво“ и продължава да смята, че електронът изпитва въздействие само от страна на други електрони, при това със забавяне заради разделящото ги разстояние. Такъв подход позволява да се изключи понятието поле и така да се избягнат други безкрайности, създаващи доста грижи. Макар че не успява да постигне удовлетворителни резултати, Файман запазва нетрадиционното си мислене през всичките следващи години.

През 1930 г. Файман започва да следва аспирантура в Принстънския университет. По време на аспирантурата той продължава експериментирането с различни подходи към квантовата електродинамика, учейки се от грешките, отхвърляйки неуспешните схеми и използвайки множество нови идеи, част от които възникват по време на разговорите с ръководителя му Джон А. Уилър. Файман се стреми да запази принципа за забавящото въздействие на един електрон върху друг: електронът, изпитващ взаимодействие от страна на друг електрон, на свой ред му въздейства с определено допълнително закъснение, както светлината, която се отразява назад към своя източник. По съвет на Уилър Файман предполага, че подобно отражение се състои не само в излъчването на обичайна закъсняла вълна, но и на „изпреварваща вълна“, достигаща до електрона преди той да започне да въздейства върху друг електрон. Парадоксалният ход на времето, протичащо не само напред, но и назад, не го безпокои. Както по-късно той признава: „По това време бях вече достатъчно станал физик, за да казвам: «О не, това не е възможно!»“.

След много месеци математически преценки, неуспехи и опити да намери подходи Файман постига напредък в преобразуванията на понятията и уравненията от различни гледни точки. Той успява да намери оригинални пътища за включване на квантовата механика в класическата електродинамика и да разработи методи, позволяващи просто и бързо да се получат резултати, изискващи при традиционен подход обемисти изчисления. Една от най-успешните му идеи е използването на принципа за най-слабото въздействие, основаващ се на предположението, че природата избира за постигането на определена цел най-икономичния път. Макар че не е удовлетворен от своите достижения, Файман съзнава, че е успял да да придвижи съществено решаването на проблема, а неговата работа е получила признание. Той публикува своята дисертация „Принцип за най-слабото въздействие в квантовата механика“ („ The Principle of Least Action in Quantum Mechanics“) и през 1942 г. получава докторска степен по физика.

Скоро след завършването на дисертацията си Файман е поканен на работа от групата принстънски физици, занимаващи се с деленето на изотопите на урана за нуждите на Манхатънския проект, иначе казано – за създаването на атомната бомба. От 1942 до 1945 г. той ръководи в Лос Аламос (щат Ню Мексико) група, работеща в отдела на Ханс А. Бете. Дори през тези години Файмав намира време да размишлява, докато пътува с автобуса, правейки необходимите изчисления на парчета хартия, над по-нататъшното развитие на предложения от него вариант на квантовата електродинамика. В Лос Аламос той общува с Нилс Бор, Енрико Ферми, Робърт Опънхаймър и други водещи физици. Намира се сред тези, които присъстват при първите изпитания на атомната бомба в Аламогордо (щат Ню Мексико).

След края на войната Файман прекарва лятото на 1945 г., работейки с Ханс А. Бете в компанията „Дженерал Мотърс“ в Скънектади (щат Ню Йорк). След това става адюнкт-професор по теоретична физика в университета „Корнел“. По това време пред квантовата електродинамика възникват нови въпроси. Така например през 1947 г. Уилис Лам доказва с помощта на прецизни експерименти, че две енергетични равнища, които, според теорията на Дирак, трябва да съответстват на едно и също значение на енергията, в действителност са леко различни („изместване на Лам“). Друго разминаване между теорията и експеримента е установено от Поликарп Куш, който открива, че собственият магнитен момент на електрона надвишава с над 0,1 % орбиталния му магнитен момент.

Опирайки се на основополагащите изследвания на Бете, Файман започва да решава тези фундаментални проблеми, но скоро изпада в период на застой, предизвикан, според него, от това, че физиката престава да му доставя наслада като интелектуална игра. След известно време той се оказва случайно свидетел на това как в закусвалнята на университета „Корнел“ един от присъстващите там се развлича, като подхвърля във въздуха чиния, и проявява интерес към зависимостта между скоростта на въртене на чинията и нейното „отклонение от курса“. Файман успява да изведе уравнение, описващо полета на чинията. Това упражнение му помага да възстанови душевните си сили и той подновява работата си, свързана с квантовата електродинамика. „Това, което правех, като че ли нямаше особено значение - пише по-късно Файман, - но в действителност в това беше заложен велик смисъл. Диаграмите и всичко останало, за което получих Нобелова награда, водят началото си от от онова на пръв поглед безсмислено занимание с летящата чиния“.

Това „всичко останало“ било нов вариант на квантовата теория, при който квантовоелектродинамичните взаимодействия се разглеждат от нова гледна точка – траекториите в пространство-времето. Частицата се разпространява от начална точка на траекторията си до крайна; възможните взаимодействия „по пътя“ ѝ се изразяват с относителните им вероятности. Тези вероятности се сумират в редици (понякога комплексни), за изчисляването на които Файман разработва правила и графична техника (диаграми на Файман). Външно прости, но извънредно удобни, диаграмите се използват в много области на физиката. Файман успява да обясни „изместването на Лам“, магнитния момент на електрона и други свойства на частиците.

Независимо от Файман и един от друг, основавайки се на други теоретични подходи, Джулиан Швингър и Шиничиро Томонага предлагат почти едновременно свои варианти за квантовата електродинамика и успяват да преодолеят основните трудности. Използваната от тях математическа процедура получава наименованието пренормировка. Предизвикващите толкова неприятности несъответствия са избегнати, като се постулират положителни и отрицателни безкрайности, които се компенсират почти напълно, а остатъкът (например зарядът на електрона) съответства на експериментално измереното значение. Квантовата електродинамика на Файман, Швингър и Томонага се смята за най-точната от всички известни днес физически теории. Правилността ѝ е потвърдена експериментално в широк диапазон на мащабите – от субатомните до астрономическите.

Файман остава в университета „Корнел“ до 1950 г., след което се мести в Калифорнийския технологичен институт на длъжността професор по теоретична физика. Там той заема през 1059 г. почетната длъжност, учредена в памет на Ричард Чейс Толман. Освен изследванията си в областта на квантовата електродинамика Файман предлага атомно обяснение на теорията за течния хелий, развита от съветския физик Лев Ландау.

Заедно със своя сътрудник Мъри Гел-Ман Файман допринася съществено за създаването на теорията за слабите взаимодействия, каквото е например излъчването на бета-частици от радиоактивните ядра. Тази теория произтича то диаграмите на Файман, позволяващи да се представят графично взаимодействията на елементарните частици и техните възможни трансформации. Последните изследвания на Файман са посветени на силното взаимодействие, иначе казано – на силите, задържащи нуклоните в ядрото и действащи между субядрените частици, или „партоните“ (например кварките), от които се състоят протоните и неутроните.

Оригиналността на мисленето и артистизма на Файман като лектор оказват влияние върху цяло поколение студенти по физика. Неговият метод за интуитивно отгатване на формулите и доказателството след това, че са правилни, намира повече подражатели отколкото критици. Влиянието на неговите теории, както и на неговата личност се усеща във всеки раздел на съвременната физика на елементарните частици.

Файман се жени три пъти. Арлен Х. Гринбаум, която става негова съпруга през 1941 г., умира от туберкулоза през 1945 г., когато Файман е в Лос Аламос. Бракът му сс Мери Луиз Бел, сключен през 1952 г., завършва с развод. През 1960 г. той се жени в Англия за Гуинет Хауърт. Семейството има син и дъщеря. Искрен и непочтителен към авторитетите, Файман влиза в състава на президентската комисия, която разследва обстоятелствата около взрива на космическия кораб за многократно използване „Чалънджър“ през 1986 г. Той пише свой отчет от тринадесет страници, в който критикува отговорните сътрудници на НАСА за това, че са се оставили „да ги преметнат“, като не са забелязали съществени недостатъци в конструкцията на космическия кораб. Човек с неудържима любознателност и разностранни интереси, Файман бие с удоволствие барабани бонго, учи японски език, рисува, участва в дешифрирането на текстове на маите и проявява жив интерес към чудесата на парапсихологията, отнасяйки се обаче към тях с голяма доза скептицизъм.

Освен с Нобелова награда Файман е удостоен с наградата Алберт Айнщайн на Мемориалния фонд (1954 г.), с наградата за физика Ърнест Орландо Лорънс на Комисията по атомна енергия на САЩ (1962 г.) и с международния златен медал Нилс Бор на Датското дружество на инженерите строители, електротехници и механици (1973 г.). Член е на Американското физическо дружество, на Бразилската академия на науките и на Лондонското кралско дружество. Избран е за член на Националната академия на науките на САЩ, но по-късно подава оставка.

Превод от руски: Павел Б. Николов