Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Відкриття античастинок Діраком стало наслідком його «вгадування» правильного рівняння для опису релятивістських квантових взаємодій електронів з електромагнітними полями. Йому бракувало фізичної інтуїції для її обґрунтування, і саме це було однією з причин, чому сам Дірак та інші спершу поставилися до його здобутку настільки скептично. Прояснення фізичного імперативу для антиматерії стало результатом роботи одного з найважливіших фізиків другої половини ХХ століття – Річарда Фейнмана.

Годі шукати когось менш схожого на Дірака, ніж Фейнман. Тоді як Дірак був до крайнощів неговірким, Фейнман був товариським та чарівним оповідачем. Тоді як Дірак навмисно жартував зрідка, якщо взагалі коли-небудь, Фейнман був пустуном, який відверто насолоджувався всіма аспектами життя. Тоді як Дірак був занадто сором’язливий, щоб зустрічатися з жінками, Фейнман після смерті першої дружини вишукував найрізноманітніших подруг. Утім, фізика зводить разом дуже дивні пари, тож Фейнман із Діраком навіки залишаться інтелектуально зв’язаними – знову ж таки світлом. Разом вони сприяли завершенню опису довгоочікуваної квантової теорії випромінювання.

Фейнман належав до наступного після Дірака покоління й благоговів перед ним, називаючи його одним зі своїх героїв-фізиків. Тож природно, що коротка стаття Дірака, написана 1939 року, у якій він запропонував новий підхід до квантової механіки, надихнула Фейнмана на працю, яка зрештою принесла йому Нобелівську премію.

Гайзенберг та Шрьодінґер пояснювали, як системи квантовомеханічно поводяться, відштовхуючись від деякого вихідного стану системи й обчислюючи її зміни з плином часу. Проте знову ж таки світло надає ключ до іншого способу розгляду квантових систем.

Ми призвичаїлися вважати світло таким, що завжди поширюється прямолінійно. Проте це не так. Доказом цього є міражі, які ви спостерігаєте спекотними днями на довгих прямих шосе. Дорога попереду здається вологою, оскільки світло з неба рефрактує, заломлюючись у результаті проходження крізь велику кількість послідовних шарів теплого повітря біля поверхні дороги, а вже потім знову йде вгору й дістається вашого ока.

1650 року французький математик П’єр де Ферма продемонстрував інший підхід до розуміння цього феномену. У теплому, більш розрідженому повітрі світло поширюється швидше, ніж у холодному. Оскільки біля землі повітря найтепліше, світлу потрібно менше часу для досягнення вашого ока, якщо біля землі воно йде вниз, а тоді піднімається назад до вашого ока, аніж якби воно йшло до вашого ока по прямій. Ферма сформулював принцип, який дістав назву принципу найменшого часу, який стверджує, що для визначення кінцевої траєкторії будь-якого світлового променя треба лише дослідити всі можливі шляхи від А до Б та обрати той, який забере найменше часу.

Такі формулювання можуть справити враження, що світло наділене волею, і я подолав спокусу написати, що світло переглядає всі шляхи та обирає той, що займе найменше часу, оскільки був абсолютно впевнений, що Діпак Чопра пізніше цитував би це як моє визнання наявності у світла свідомості. Світло не має свідомості, проте математичний результат справляє враження, ніби світло обирає найкоротшу відстань.

Тепер пригадаймо, що у квантовій механіці світлові промені й електрони поводяться не так, ніби вони обирають для переміщення з одного місця в інше якусь одну траєкторію – вони обирають усі можливі траєкторії одночасно. Кожна траєкторія має певну ймовірність бути виміряною, і класична траєкторія, яка займає найменше часу, має найбільшу ймовірність з-поміж усіх.

1939 року Дірак запропонував спосіб обрахунку цих усіх імовірностей та їхнього підсумування для визначення квантовомеханічної ймовірності того, що частинка, яка вирушає з точки А, опиниться в точці Б. Річард Фейнман, тоді ще магістрант, дізнавшись про статтю Дірака на пивній вечірці, математично вивів конкретний приклад, який демонстрував, що ця ідея працює. Відштовхуючись від Діракових підказок, Фейнман вивів результати, ідентичні до тих, які можна було вивести з варіантів Шрьодінґера чи Гайзенберга, принаймні в простих випадках. Мало того, Фейнман міг використовувати цю нову формулу «суми по шляхах» для роботи з квантовими системами, які було складно описувати чи аналізувати за допомогою інших методів.