Вы, наверное, диаграмма, мистер Фейнман

Ричард Филипс Фейнман — американский физик, известный широкой публике больше особым подходом к обучению, чем научными трудами. Работая над атомной бомбой в Лос-Аламосе Фейнман смог взломать сейфы коллег, проиллюстрировав недостаточные меры по безопасности Манхэттенского проекта. Ричард, наверное, единственный человек в мире, который научился плавать прочитав книгу о плавании, после чего без колебаний прыгнул в ближайшее озеро. Фейнман всего за три года создал курс физики, который до сих пор считается одним из лучших в мире. Расскажем, что он принес в мир.

Ядерная бомба

На момент набора физиков в Манхэттенский проект Фейнман ещё был студентом в Принстоне. Он оказался одним из самых молодых людей, открывших человечеству путь к самоуничтожению, потому не слишком задавался философскими вопросами. Когда Ричарду требовался отчет от коллег от взламывал замок ящика с секретными бумагами и брал любой документ без разрешения владельца. Вместо того чтобы рассказывать о недостатках мер безопасности, физик демонстрировал их наглядно.

Фейнман сделал существенный вклад в вычисление мощности ядерного взрыва и приобрел репутацию эксцентричного гения.

Диаграммы Фейнмана

В 1948 году 27 создателей атомной бомбы тайно встретились в Пенсильвании, чтобы обсудить проблемы физики атомного ядра. На этой встрече Фейнман представил диаграммы, описывающие поведение элементарных частиц, названные в его честь. В квантовой теории поля невозможно точно сказать, как движется одна конкретная частица. Можно только выяснить распределение вероятностей на основе статистики, описывающей множество частиц множество раз. Однако, ученым хотелось больше конкретики. Диаграммы Фейнмана иллюстрируют эволюцию системы частиц, сообщая об известных моментах: что было до взаимодействия и что получилось в итоге, и не касаются неведомого — конкретных траекторий и скоростей.

Модель атомного ядра

Фейнман вместе с американским физиком Мюрреем Гелл-Манном, открывшим кварки, стал автором теории распада, вызываемого слабым взаимодействием. Классический пример такого явления — бетта-распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Получается, ядро атома — довольно беспокойное место, где частицы периодически превращаются друг в друга. Открытие слабого распада помогло лучше понять ядерные реакции и подстегнуло развитие ядерных технологий.

Интеграл по траекториям

В каком месте люди протопчут тропинку к остановке или магазину? Там где будет кратчайшая дорога от дома в нужное место. Таким же правилом наименьшего действия руководствуются все законы природы: молния движется по пути наименьшего сопротивления, бумага рвется в самых тонких местах. А вот квантом мире частица движется всеми путями одновременно, как тут применить принцип наименьшего действия? Интеграл по историям, складывающий все возможные пути частицы, помогает это сделать. Функциональный интеграл или интеграл Фейнмана — один из базовых инструментов изучения квантового мира на данный момент.

Физика сверхтекучести

Любая компьютерная игра рано или поздно оказывается совершенно сломана. Игроки найдут сотни способов обмануть любые механики. Реальная Вселенная кажется идеально сбалансированной: затраченная энергия всегда больше полезной, разруха всегда возрастает. Однако, феномены сверхпроводимости и сверхтекучести кажутся легальным читами из мира науки. Сопротивление электрическое и вязкость жидкости могут пропасть при полной потере атомами энергии, то есть при абсолютном нуле. Вроде бы, это логично с точки зрения классической физики. Если у частиц нет энергии, они не оказывают сопротивление электрическому току и течению жидкости. Для отсутствия сопротивления у сверхпроводников нужно еще придумать фантастическое применение, а жидкость в состоянии сверхтекучести ломает баланс мира сама по себе. Такая жидкость игнорирует гравитацию и течет вверх по стенкам стакана, она может просачиваться через мельчайшие поры в любых материалах, если помешать такую жидкость ложкой — водоворот никогда не остановится, ведь трение отсутствует. Впрочем, у таких сверхспособностей есть пределы — жидкость не поднимется выше 56 метров вверх, да и скорость течения ограничена 20 см в секунду. Но есть и ограничение серьезнее: мы не живем в мире абсолютного нуля и у частиц всегда остается какая-то энергия. Из-за этого, сверхпроводимость и сверхтекучесть не могут работать в классической механике, но могут работать в квантовой. Частицы могут случайно совершать невозможное из-за того что не совсем понимают где находятся и какой скоростью обладают. Баги классической физики — это фишки квантовой. Задачу объяснения сверхтекучести квантовыми механизмами и решил Фейнман.

Теория квантовых вихрей

Чаще всего жидкости в состоянии сверхтекучести изучаются на сжиженном гелии, охлаждении до минус 271 градуса Цельсия. Ко всем прочим странностям, там образуются вихри толщиной с человеческий волос, в центре которых пустое пространство, вокруг которого вращается гелий с дискретными скоростями. В обычном водовороте частицы жидкости вращаются со всеми скоростями от нуля в стоячей воде вокруг до максимальной в стенках водоворота. Но так как явление сверхтекучести имеет квантовую природу, скорости в вихре тоже кватуются, то есть имеют четкие отдельные значения без промежуточных вариантов. 

Феномен квантовых вихрей так же описал Ричард Фейнман, хотя над ними работали и другие ученые. Явление сверхтекучести открыл Петр Леонидович Капица, а квантовые вихри независимо от Фейнмана открыл Алексей Алексеевич Абрикосов.

Другие работы

Идея квантовых вычислений

Сейчас очевидно, что эпоха квантовых компьютеров не за горами. Некоторые задачи можно существенно ускорить, используя тот факт, что до момента измерения ячейки квантовой памяти содержат все возможные значения одновременно, а значит и результаты всех операций. Такой подход пригодится для подбора каких-нибудь статистических значений. Идею квантовых вычислений предложили независимо друг от друга Ричард Фейнман и Юрий Манин в начале 80х годов.

Расследование катастрофы «Челленджера»

28 января 1986 года шаттл Челленджер потерпел крушение из-за взрыва топливного бака, в результате чего погибли 7 астронавтов. Для расследования причин катастрофы была составлена «комиссия Роджерса», названная по имени ее председателя — госсекретаря США Уильяма Роджерса. В комиссию так же вошли Нил Армстронг и Ричард Фейнман, который сыграл ключевую роль. Выяснилось, что причиной аварии оказалось уплотнительное кольцо, потерявшее свои свойства из-за холодной январской погоды. Более того, на испытаниях уплотнители повреждались на треть, что эксперты оценивали как коэффициент безопасности 3, в то время как эта величина означала троекратный запас по нагрузкам до малейшего нарушения. Эксцентричный физик выставил сотрудников NASA идиотами, и подверг критике принятие решений при подготовке к запуску, чем сыскал себе дурную славу в руководстве страны.

Статьи о культе карго

Фейнман не только создал один из лучших курсов физики для студентов, но и внес существенный вклад в понимание научного метода. Ярким примером такого вклада являются статьи о культе карго. Во время Второй Мировой войны многие грузы доставлялись парашютным способом. Туземцы архипелага Фиджи и Папуа-Новой Гвинее создали религию, обожествляющую самолеты, приносящие небесные дары. Они выкладывали из кукурузы взлетно-посадочные полосы и крутили пластинки на палках, имитируя радио-переговоры. Это поучительная для человечества история о том что последовательные события не всегда являются причиной и следствием и о том что ни в какие выводы нельзя верить просто так, не разобравшись в механизме работы явлений. Научный метод — это не умственное упражнение для ботаников без личной жизни, а правила, позволяющие лучше любых других методов отличать реальность от фантазий. Ричард Фейнман во многом определил черты современной науки, как и стал одним из пионеров популяризации превосходства научного мышления над суевериями.

Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал