Nova Biblioteka donosi odlomak iz knjige QED – Neobična teorija svetlosti i materije, jedne od najvećih figura iz sveta nauke, Ričarda Fajnmana
Tekst: Ričard Fajnman (odlomak iz knjige QED – Neobična teorija svetlosti i materije, Heliks, 2010)
Govoriću o delu fizike koji nam je jasan, a ne o njenom nepoznatom delu. Ljudi uvek pitaju za najnovije napretke u sjedinjavanju ove teorije sa onom, i pri tom nam ne daju prilike da im išta kažemo o onim teorijama koje poznajemo prilično dobro. Oni uvek žele da saznaju ono što je nepoznato. Tako, umesto da vas suočim s gomilom nedopečenih, samo delimično analiziranih teorija, pričaću vam o oblasti koja je vrlo detaljno ispitana. Lično, volim tu oblast fizike i smatram je čudesnom: ona se zove kvantna elektrodinamika, skraćeno QED.
Glavni mi je cilj da u ovim predavanjima što tačnije opišem tu čudnu teoriju svetlosti i elektrona. Biće potrebno dosta vremena da objasnim sve što bih želeo, ali budući da imam četiri lekcije, do kraja će sve doći na svoje mesto.
Fizika ima dugačku istoriju spajanja mnogo fenomena u malo teorija. Tako su u stara vremena bili poznati fenomeni kretanja i toplote; takođe se znalo za fenomene zvuka, svetlosti i gravitacije. Ali, u jednom trenutku, nakon što je Isak Njutn objasnio zakone kretanja, shvaćeno je da su neke od ovih naizgled veoma različitih pojava zapravo samo razni aspekti jedne iste. Fenomen zvuka se, recimo, može potpuno objasniti kao kretanje atoma vazduha. Na taj način, zvuk prestaje biti zaseban od kretanja. Takođe je zapaženo da se toplotne pojave mogu lako razumeti kroz zakone kretanja. Tako su veliki delovi fizike ujedinjeni kroz jednostavnu teoriju. Teoriju gravitacije, sa druge strane, nije moguće razumeti na osnovu zakona kretanja, pa čak i danas ona stoji zasebno od drugih teorija. Gravitaciju nije moguće objasniti preko drugih pojava.
Nakon ujedinjenja kretanja, zvuka i toplote, otkriveno je više fenomena koje danas zovemo električnim i magnetnim. Godine 1873, Džejms Klark Maksvel je povezao te fenomene s pojavama svetlosti i optike, sugerišući da je svetlost zapravo elektromagnetni talas. U tom stadijumu razvitka fizike, dakle, postojali su zakoni kretanja, zakoni elektromagnetizma i zakoni gravitacije.
Svaki instrument ikada dizajniran da bude dovoljno osetljiv kako bi detektovao slabu svetlost, uvek je dobijao isti rezultat: svetlost je sačinjena od čestica.
– Ričard Fajnman
Oko 1900. godine počela se razvijati teorija koja je objašnjavala strukturu materije. Nazvana je teorija elektrona, i tvrdila je da unutar atoma postoje sićušne naelektrisane čestice. Ova teorija je postepeno evoluirala pa je obuhvatila masivno atomsko jezgro (nukleus) sa elektronima koji se kreću oko njega. Svi pokušaji da se kretanje elektrona u atomu rastumači po mehaničkim zakonima – analogno sa situacijom kada je Njutn primenio zakone kretanja da objasni kretanje Zemlje oko Sunca – pokazali su se potpuno neuspešni. (Uzgred, teorija relativnosti, koju svi doživljavate kao veliku revoluciju u fizici, takođe je bila razvijena u to vreme. Ali u poređenju sa otkrićem da Njutnovi zakoni kretanja ne funkcionišu unutar atoma, teorija relativnosti je samo manja modifikacija.) Za izradu novog sistema prirodnih zakona koji bi zamenio Njutnove zakone trebalo je dosta vremena upravo zato što su se fenomeni na atomskom nivou pokazali veoma neobični. Potrebno je, u izvesnom smislu, izgubiti zdrav razum da bi se razumelo šta se dešava na atomskoj skali. Konačno, 1926. je razvijena „nerazumna“ teorija za objašnjenje novog načina ponašanja elektrona u materiji. Ona je samo izgledala budalasto; nazvana je kvantna mehanika.
Reč „kvantna“ odnosi se na taj neobični aspekt Prirode koji se suprotstavlja zdravom razumu. Upravo o tom aspektu govoriću u ovim predavanjima.
Kvantnomehanička teorija je takođe objasnila sve vrste detalja, primera radi, zašto se atom kiseonika kombinuje s dva atoma vodonika, čineći vodu. Kvantna mehanika na taj način obezbeđuje teorijsku podlogu za razvoj hemije. Tako je fundamentalna teorijska hemija u stvari fizika.
Pošto se kvantnomehaničkom teorijom objašnjava čitava hemija i razne osobine supstanci, ona je bila izuzetno uspešna. Ali i dalje je postojao problem interakcije svetlosti i materije. Drugim rečima, Maksvelova teorija elektriciteta i magnetizma se morala izmeniti da bi bila u skladu s novim principima kvantne mehanike. Stoga se 1929. godine pojavila nova teorija, delo čitavog niza fizičara, teorija interakcije svetlosti i materije koja je nazvana zastrašujućim imenom kvantna elektrodinamika. Ali teorija je bila problematična. Ako ste želeli da nešto grubo izračunate, ona je davala razumne odgovore. Ukoliko biste pak pokušali da to isto izračunate preciznije, brzo biste pronašli: korekcija za koju ste očekivali da je veoma mala, ne samo da je značajna, već je zapravo beskonačno velika! Tako se ispostavilo da ništa nije moguće izračunati preko određene tačnosti.
Naučnik nameće samo dve stvari, a to su istina i iskrenost, nameće ih sebi i drugim naučnicima.
– Ervin Šredinger
Uzgred budi rečeno, ono što sam vam upravo skicirao moglo bi se nazvati fizičarska istorija fizike, koja nikad ne može biti tačna. Izlažem vam konvencionalnu mitologiju koju fizičari prenose svojim studentima, a zatim ti studenti prenose svojim studentima, i nije nužno verna stvarnom istorijskom razvoju koji ja zapravo ne poznajem! U svakom slučaju, nastavljujući sa našom istorijom, zapažamo da je Pol Dirak, koristeći teoriju relativnosti, stvorio relativističku teoriju elektrona koja nije potpuno uzimala u obzir sve efekte interakcije elektrona sa svetlošću. Dirakova teorija je tvrdila da elektron poseduje magnetni moment – nešto nalik dejstvu malog magneta – čija je veličina u određenom sistemu jedinica jednaka tačno 1. Tada je, oko 1948. godine, u eksperimentima otkriveno da je stvarni broj zapravo 1,00118 (s neodređenošću od oko 3 u poslednjoj značajnoj cifri). Bilo je, naravno, poznato da elektroni interaguju sa svetlošću, tako da je izvesna mala korekcija očekivana. Takođe se očekivalo da bi ova korekcija mogla da bude razumljiva iz nove teorije kvantne elektrodinamike. Ali kada su proračuni izvršeni, umesto 1,00118, rezultat je bio beskonačno veliki broj – što je svakako eksperimentalno pogrešno!
Ovaj problem kako izračunati konkretne stvari u kvantnoj elektrodinamici rešili smo Džulijan Švinger, Sin-Itiro Tomonaga i ja, krajem pedesetih. Švinger je prvi izračunao korekciju koristeći novi „trik“; njegova teorijska vrednost bila je oko 1,00116 – dovoljno blizu eksperimentalnom broju da pokaže kako smo na pravom tragu. Konačno smo stekli kvatnu teoriju elektriciteta i magnetizma s kojom se moglo računati! Tu ću vam teoriju opisati.
Teorija kvantne elektrodinamike je stara već više od pedeset godina, i bila je testirana sa sve većom tačnošću u sve širem i širem rasponu situacija. Danas ponosno ističem da još uvek nema značajne razlike između eksperimenta i teorije! Samo da uočite kako teorija prolazi kroz sito i rešeto, navešću neke novije brojeve: eksperimenti su izmerili da je Dirakov broj 1,00115965221 (s neodređenošću od oko 4 u zadnjoj značajnoj cifri); teorija daje 1,00115965246 (s neodređenošću oko pet puta većom). Da biste stekli predstavu o preciznosti ovih brojeva, zamislite kako bi to bilo slično merenju daljine između Njujorka i Los Anđelesa uz preciznost jednaku debljini vlasi kose – toliko osetljivo je kvantna elektrodinamika bila proverena tokom poslednjih pedeset godina, i teorijski i eksperimentalno.
Uzgred, izabrao sam samo jedan broj da to demonstriram.
Ako bih to mogao objasniti prosečnoj osobi, ne bih bio vredan Nobelove nagrade.
– Ričard Fajnman
Ima i drugih veličina u kvantnoj elektrodinamici koje su izmerene sa sličnom tačnošću, i takođe se dobro slažu s predviđanjima. Te veličine su proveravane na skalama koje sežu od stotinu puta većih od Zemlje do stotog dela veličine atomskog jezgra. Svrha ovih brojeva je da vas zaplaše i ubede da teorija sigurno ne može biti veoma pogrešna! Pre nego što okončamo ova predavanja, opisaću vam kako se vrše ovi proračuni. Voleo bih da vas ponovo impresioniram širokim rasponom fenomena koje opisuje teorija kvantne elektrodinamike. Gotovo da je lakše to reći na suprotan način: teorija opisuje sve fenomene fizičkog sveta osim gravitacionih efekata, tj. sile koja vas drži u stolicama (zapravo, pretpostavljam da se tu radi o sadejstvu gravitacije i učtivosti), i fenomena vezanih za radioaktivnost gde spadaju atomska jezgra i njihovi skokovi između energetskih nivoa. Ako izostavimo gravitaciju i radioaktivnost (tačnije rečeno, nuklearnu fiziku), šta nam preostaje? Benzin koji sagoreva u automobilu, pena i mehurovi, tvrdoća soli ili bakra, otpornost čelika. Zapravo, biolozi pokušavaju da interpretiraju što više podataka o životu u terminima hemije, a kao što sam već pomenuo, teorija koja stoji iza hemije je kvantna elektrodinamika.
Neophodno je razjasniti sledeće: kada kažem da se svi fenomeni fizičkog sveta mogu objasniti ovom teorijom, mi to, zapravo, ne znamo. Većina poznatih fenomena uključuje ogromne brojeve elektrona, tako da naši ograničeni umovi veoma teško prate toliku složenost. U takvim situacijama, možemo koristiti teoriju da bismo grubo razjasnili šta bi trebalo dogoditi, i to je ono što se, uglavnom, u takvim uslovima događa. Ali ako u laboratoriji izvedemo eksperiment koji uključuje samo nekoliko elektrona u jednostavnim uslovima, tada veoma precizno možemo izračunati i takođe veoma precizno izmeriti sve što bi se moglo desiti. Kad god su takvi opiti vršeni, teorija kvantne elektrodinamike se pokazala jako uspešnom.
Mi, fizičari, uvek proveravamo kako bismo utvrdili postoji li neki problem s teorijom. To je suštinski značajno, jer je zanimljivo upravo ukoliko s teorijom ima problema! Ali do danas nismo pronašli ništa problematično s kvantnom elektrodinamikom. Ona je stoga, usudio bih se da kažem, dragulj fizike – naš najvredniji posed. Teorija kvantne elektrodinamike takođe je prototip za nove teorije koje teže da objasne nuklearne fenomene, pojave koje se odigravaju unutar atomskih jezgara. Ukoliko zamislimo fizički svet kao pozornicu, tada glumci nisu samo elektroni, koji su van atomskih jezgara, već i kvarkovi, gluoni i drugi – desetine čestica – unutar nukleusa. I mada ovi glumci izgledaju sasvim različito, svi igraju u posebnom stilu – neobičnom i teško shvatljivom – kvantnom stilu. Na samom kraju reći ću vam ponešto o nuklearnim česticama. U međuvremenu, govoriću samo o fotonima – česticama svetlosti – i elektronima, da bi izlaganje bilo što jednostavnije. Način na koji oni igraju važan je i interesantan.
Sada znate o čemu će nadalje biti reči. Pitam se da li ćete razumeti ono o čemu ću predavati? Svako ko dođe na naučno predavanje zna da ga neće razumeti, ali možda predavač ima šarenu kravatu u koju je prijatno gledati. Ne u ovom slučaju! (Fajnman nije nosio kravatu.)
Ričard Fajnman jedan je od najčuvenijih fizičara dvadesetog veka. U svom radu bavio se fizikom elementarnih čestica, teorijom gravitacije, kvantnom teorijom polja i teorijom kvantne elektrodinamike za koju je dobio Nobelovu nagradu 1965. godine. Knjiga QED: Neobična teorija svetlosti i materije predstavlja zapravo zbirku četiri Fajnmanova predavanja o osnovnim problemima u kvantnoj elektrodinamici, održana studentima na Novom Zelandu 1979. godine, ali u pisanoj formi prilagođena široj javnosti, iako ne i sasvim lišena kvantno-mehaničke matematike. Izvorno Fajnmanovo pripovedanje odiše nadahnutošću i duhovitošću po kojima je bio poznat, a prevod dr Milana Ćirkovića, jednako nadahnut, nosi pečat naučničkog razumevanja.