Нова Библиотека доноси одломак из књиге QED – Необична теориjа светлости и материjе, једне од највећих фигура из света науке, Ричарда Фајнмана
Текст: Ричард Фаjнман (одломак из књиге QED – Необична теориjа светлости и материjе, Хеликс, 2010)
Говорићу о делу физике коjи нам jе jасан, а не о њеном непознатом делу. Људи увек питаjу за наjновиjе напретке у сjедињавању ове теориjе са оном, и при том нам не даjу прилике да им ишта кажемо о оним теориjама коjе познаjемо прилично добро. Они увек желе да сазнаjу оно што jе непознато. Тако, уместо да вас суочим с гомилом недопечених, само делимично анализираних теориjа, причаћу вам о области коjа jе врло детаљно испитана. Лично, волим ту област физике и сматрам jе чудесном: она се зове квантна електродинамика, скраћено QED.
Главни ми jе циљ да у овим предавањима што тачниjе опишем ту чудну теориjу светлости и електрона. Биће потребно доста времена да обjасним све што бих желео, али будући да имам четири лекциjе, до краjа ће све доћи на своjе место.
Физика има дугачку историjу спаjања много феномена у мало теориjа. Тако су у стара времена били познати феномени кретања и топлоте; такође се знало за феномене звука, светлости и гравитациjе. Али, у jедном тренутку, након што jе Исак Њутн обjаснио законе кретања, схваћено jе да су неке од ових наизглед веома различитих поjава заправо само разни аспекти jедне исте. Феномен звука се, рецимо, може потпуно обjаснити као кретање атома ваздуха. На таj начин, звук престаjе бити засебан од кретања. Такође jе запажено да се топлотне поjаве могу лако разумети кроз законе кретања. Тако су велики делови физике уjедињени кроз jедноставну теориjу. Теориjу гравитациjе, са друге стране, ниjе могуће разумети на основу закона кретања, па чак и данас она стоjи засебно од других теориjа. Гравитациjу ниjе могуће обjаснити преко других поjава.
Након уjедињења кретања, звука и топлоте, откривено jе више феномена коjе данас зовемо електричним и магнетним. Године 1873, Џеjмс Кларк Максвел jе повезао те феномене с поjавама светлости и оптике, сугеришући да jе светлост заправо електромагнетни талас. У том стадиjуму развитка физике, дакле, постоjали су закони кретања, закони електромагнетизма и закони гравитациjе.
Сваки инструмент икада дизајниран да буде довољно осетљив како би детектовао слабу светлост, увек је добијао исти резултат: светлост је сачињена од честица.
– Ричард Фајнман
Око 1900. године почела се развиjати теориjа коjа jе обjашњавала структуру материjе. Названа jе теориjа електрона, и тврдила jе да унутар атома постоjе сићушне наелектрисане честице. Ова теориjа jе постепено еволуирала па jе обухватила масивно атомско jезгро (нуклеус) са електронима коjи се крећу око њега. Сви покушаjи да се кретање електрона у атому растумачи по механичким законима – аналогно са ситуациjом када jе Њутн применио законе кретања да обjасни кретање Земље око Сунца – показали су се потпуно неуспешни. (Узгред, теориjа релативности, коjу сви доживљавате као велику револуциjу у физици, такође jе била развиjена у то време. Али у поређењу са открићем да Њутнови закони кретања не функционишу унутар атома, теориjа релативности jе само мања модификациjа.) За израду новог система природних закона коjи би заменио Њутнове законе требало jе доста времена управо зато што су се феномени на атомском нивоу показали веома необични. Потребно jе, у извесном смислу, изгубити здрав разум да би се разумело шта се дешава на атомскоj скали. Коначно, 1926. jе развиjена „неразумна“ теориjа за обjашњење новог начина понашања електрона у материjи. Она jе само изгледала будаласто; названа jе квантна механика.
Реч „квантна“ односи се на таj необични аспект Природе коjи се супротставља здравом разуму. Управо о том аспекту говорићу у овим предавањима.
Квантномеханичка теориjа jе такође обjаснила све врсте детаља, примера ради, зашто се атом кисеоника комбинуjе с два атома водоника, чинећи воду. Квантна механика на таj начин обезбеђуjе теориjску подлогу за развоj хемиjе. Тако jе фундаментална теориjска хемиjа у ствари физика.
Пошто се квантномеханичком теориjом обjашњава читава хемиjа и разне особине супстанци, она jе била изузетно успешна. Али и даље jе постоjао проблем интеракциjе светлости и материjе. Другим речима, Максвелова теориjа електрицитета и магнетизма се морала изменити да би била у складу с новим принципима квантне механике. Стога се 1929. године поjавила нова теориjа, дело читавог низа физичара, теориjа интеракциjе светлости и материjе коjа jе названа застрашуjућим именом квантна електродинамика. Али теориjа jе била проблематична. Ако сте желели да нешто грубо израчунате, она jе давала разумне одговоре. Уколико бисте пак покушали да то исто израчунате прецизниjе, брзо бисте пронашли: корекциjа за коjу сте очекивали да jе веома мала, не само да jе значаjна, већ jе заправо бесконачно велика! Тако се испоставило да ништа ниjе могуће израчунати преко одређене тачности.
Научник намеће само две ствари, а то су истина и искреност, намеће их себи и другим научницима.
– Ервин Шредингер
Узгред буди речено, оно што сам вам управо скицирао могло би се назвати физичарска историjа физике, коjа никад не може бити тачна. Излажем вам конвенционалну митологиjу коjу физичари преносе своjим студентима, а затим ти студенти преносе своjим студентима, и ниjе нужно верна стварном историjском развоjу коjи jа заправо не познаjем! У сваком случаjу, настављуjући са нашом историjом, запажамо да jе Пол Дирак, користећи теориjу релативности, створио релативистичку теориjу електрона коjа ниjе потпуно узимала у обзир све ефекте интеракциjе електрона са светлошћу. Диракова теориjа jе тврдила да електрон поседуjе магнетни момент – нешто налик деjству малог магнета – чиjа jе величина у одређеном систему jединица jеднака тачно 1. Тада jе, око 1948. године, у експериментима откривено да jе стварни броj заправо 1,00118 (с неодређеношћу од око 3 у последњоj значаjноj цифри). Било jе, наравно, познато да електрони интерагуjу са светлошћу, тако да jе извесна мала корекциjа очекивана. Такође се очекивало да би ова корекциjа могла да буде разумљива из нове теориjе квантне електродинамике. Али када су прорачуни извршени, уместо 1,00118, резултат jе био бесконачно велики броj – што jе свакако експериментално погрешно!
Оваj проблем како израчунати конкретне ствари у квантноj електродинамици решили смо Џулиjан Швингер, Син-Итиро Томонага и jа, краjем педесетих. Швингер jе први израчунао корекциjу користећи нови „трик“; његова теориjска вредност била jе око 1,00116 – довољно близу експерименталном броjу да покаже како смо на правом трагу. Коначно смо стекли кватну теориjу електрицитета и магнетизма с коjом се могло рачунати! Ту ћу вам теориjу описати.
Теориjа квантне електродинамике jе стара већ више од педесет година, и била jе тестирана са све већом тачношћу у све ширем и ширем распону ситуациjа. Данас поносно истичем да jош увек нема значаjне разлике између експеримента и теориjе! Само да уочите како теориjа пролази кроз сито и решето, навешћу неке новиjе броjеве: експерименти су измерили да jе Дираков броj 1,00115965221 (с неодређеношћу од око 4 у задњоj значаjноj цифри); теориjа даjе 1,00115965246 (с неодређеношћу око пет пута већом). Да бисте стекли представу о прецизности ових броjева, замислите како би то било слично мерењу даљине између Њуjорка и Лос Анђелеса уз прецизност jеднаку дебљини власи косе – толико осетљиво jе квантна електродинамика била проверена током последњих педесет година, и теориjски и експериментално.
Узгред, изабрао сам само jедан броj да то демонстрирам.
Ако бих то могао објаснити просечној особи, не бих био вредан Нобелове награде.
– Ричард Фајнман
Има и других величина у квантноj електродинамици коjе су измерене са сличном тачношћу, и такође се добро слажу с предвиђањима. Те величине су провераване на скалама коjе сежу од стотину пута већих од Земље до стотог дела величине атомског jезгра. Сврха ових броjева jе да вас заплаше и убеде да теориjа сигурно не може бити веома погрешна! Пре него што окончамо ова предавања, описаћу вам како се врше ови прорачуни. Волео бих да вас поново импресионирам широким распоном феномена коjе описуjе теориjа квантне електродинамике. Готово да jе лакше то рећи на супротан начин: теориjа описуjе све феномене физичког света осим гравитационих ефеката, тj. силе коjа вас држи у столицама (заправо, претпостављам да се ту ради о садеjству гравитациjе и учтивости), и феномена везаних за радиоактивност где спадаjу атомска jезгра и њихови скокови између енергетских нивоа. Ако изоставимо гравитациjу и радиоактивност (тачниjе речено, нуклеарну физику), шта нам преостаjе? Бензин коjи сагорева у аутомобилу, пена и мехурови, тврдоћа соли или бакра, отпорност челика. Заправо, биолози покушаваjу да интерпретираjу што више података о животу у терминима хемиjе, а као што сам већ поменуо, теориjа коjа стоjи иза хемиjе jе квантна електродинамика.
Неопходно jе разjаснити следеће: када кажем да се сви феномени физичког света могу обjаснити овом теориjом, ми то, заправо, не знамо. Већина познатих феномена укључуjе огромне броjеве електрона, тако да наши ограничени умови веома тешко прате толику сложеност. У таквим ситуациjама, можемо користити теориjу да бисмо грубо разjаснили шта би требало догодити, и то jе оно што се, углавном, у таквим условима догађа. Али ако у лабораториjи изведемо експеримент коjи укључуjе само неколико електрона у jедноставним условима, тада веома прецизно можемо израчунати и такође веома прецизно измерити све што би се могло десити. Кад год су такви опити вршени, теориjа квантне електродинамике се показала jако успешном.
Ми, физичари, увек проверавамо како бисмо утврдили постоjи ли неки проблем с теориjом. То jе суштински значаjно, jер jе занимљиво управо уколико с теориjом има проблема! Али до данас нисмо пронашли ништа проблематично с квантном електродинамиком. Она jе стога, усудио бих се да кажем, драгуљ физике – наш наjвредниjи посед. Теориjа квантне електродинамике такође jе прототип за нове теориjе коjе теже да обjасне нуклеарне феномене, поjаве коjе се одиграваjу унутар атомских jезгара. Уколико замислимо физички свет као позорницу, тада глумци нису само електрони, коjи су ван атомских jезгара, већ и кваркови, глуони и други – десетине честица – унутар нуклеуса. И мада ови глумци изгледаjу сасвим различито, сви играjу у посебном стилу – необичном и тешко схватљивом – квантном стилу. На самом краjу рећи ћу вам понешто о нуклеарним честицама. У међувремену, говорићу само о фотонима – честицама светлости – и електронима, да би излагање било што jедноставниjе. Начин на коjи они играjу важан jе и интересантан.
Сада знате о чему ће надаље бити речи. Питам се да ли ћете разумети оно о чему ћу предавати? Свако ко дође на научно предавање зна да га неће разумети, али можда предавач има шарену кравату у коjу jе приjатно гледати. Не у овом случаjу! (Фаjнман ниjе носио кравату.)
Ричард Фаjнман jедан jе од наjчувениjих физичара двадесетог века. У свом раду бавио се физиком елементарних честица, теориjом гравитациjе, квантном теориjом поља и теориjом квантне електродинамике за коjу jе добио Нобелову награду 1965. године. Књига QED: Необична теориjа светлости и материjе представља заправо збирку четири Фаjнманова предавања о основним проблемима у квантноj електродинамици, одржана студентима на Новом Зеланду 1979. године, али у писаноj форми прилагођена широj jавности, иако не и сасвим лишена квантно-механичке математике. Изворно Фаjнманово приповедање одише надахнутошћу и духовитошћу по коjима jе био познат, а превод др Милана Ћирковића, jеднако надахнут, носи печат научничког разумевања.