”КЭД - странная теория света и вещества. Теория Ричарда Фейнмана

Ричард Фейнман великий изобретатель в формах объяснений явлений квантового мира. Все ученые объясняют свое видение этих явлений обычно при помощи математического аппарата, иногда подкрепляя это рисунками и чертежами. Фейнман решил сделать все, наоборот: у него на первом месте доминируют графические изображения. Почему-то он посчитал, что так будет нагляднее и доступнее при изложении положений квантовой механики. И он написал книжку “КЭД – странная теория света и вещества”, которую все полюбили и, на конец-то, поняли, как же все-таки взаимодействуют свет и вещество.

Правда, во “введение” он сам предупредил:

“Я хотел бы рассказать про известное в физике, а не про неизвестное. … я хотел бы рассказать о предмете, исследованном весьма досконально. Я люблю эту область физики и считаю ее замечательной. Она называется квантовой электродинамикой или, сокращенно, КЭД. Основная задача моих лекций – как можно точнее описать странную теорию взаимодействия света и вещества или, точнее, взаимодействие света и электронов” (стр. 7).

Может быть, Фейнман и точно знает, как взаимодействует свет и электрон. Это является для него известным, но для меня и, я уверен подавляющего большинства ученых, ничего кроме того, что электрон излучает и поглощает свет, больше ничего неизвестно. Каков процесс излучения или поглощения мы не знаем. От чего и как зависит качество излучения – тоже вопрос открытый. Несомненно, если Фейнман знал ответы на эти вопросы, то, значить, он их описал более точно.

Что понимал Фейнман под словом “квантовый”?

“Примерно в 1900 г. была создана теория, объясняющая, что такое вещество. Она получила название электронной теории вещества и гласила, что внутри атомов находятся маленькие заряженные частицы. Развитие этой теории привело к пониманию того, что электроны движутся вокруг тяжелых ядер.

Все попытки объяснить вращение электронов вокруг ядра законами механики – теми же, при помощи которых Ньютон вычислял движение Земли вокруг Солнца, – оказались неудачными. … Выработка новой системы взглядов, способной заменить законы Ньютона, заняла долгое время, так как все, что происходило на атомном уровне, казалось очень странным. Надо было расстаться со здравым смыслом, чтобы представить себе, что же происходит на атомном уровне. Наконец, в 1926 г. была разработана “бредовая” теория, объяснявшая “новый тип поведения” электронов в веществе. Она только казалась сумасшедшей. Ее назвали квантовой механикой. Слово “квантовая” относится к той странной особенности природы, которая противоречит здравому смыслу. Про эту особенность я и собираюсь вам рассказать” (стр. 8).

Такие рассуждения убивают наповал. Неужели речь будет идти только о странности природы, без объяснения причин этой странности? Узнаем ли мы что-нибудь о кванте? Как он устроен, хотя бы предположительно? Откуда он берется? Почему он так распространяется? Какова его роль в природе? Может быть, если мы ответим на эти вопросы, то нам ничего странного не будет казаться? Все будет логично и обыденно. Ведь ниже Фейнман пишет:

“Квантовая механика объяснила, кроме того, всевозможные частные проблемы, например, почему при соединении атома кислорода с двумя атомами водорода получается вода и т.д.” (стр. 9).

Нет, почти ничего не объяснила. Просто констатировала факт – при слиянии этих трех атомов получилась вода. При слиянии атомов углерода и кислорода получается угарный газ и т.п. И еще добавляют, что при реакциях изменяется энергетическое состояние атомов. Но причем здесь квант, как мельчайшая частица энергии, никто ничего не говорит. Да и имеет ли какое-нибудь отношение к этому делу квант не всем понятно. Может быть, этим процессам квант дал только свое имя, или он и есть главное действующее лицо в этих процессах?

В общем, чтобы решить эти вопросы “…требовалось изменить теорию электричества и магнетизма Максвелла” (стр.9). Эту новую теорию назвали “квантовой электродинамикой”. Но и эта теория описывала явления атомарного уровня не удовлетворительно. После того как Дирак предположил наличие магнитного момента у электрона и подсчитал его величину, а эксперимент показал несколько отличную величину, решили объяснить это тем, что электрон в атоме и должен иметь несколько иной магнитный момент, нежели ничем не возмущенный электрон в математической среде. Произвели расчет магнитного момента электрона с учетом его возмущения в атоме и получили бесконечность. Снова надо модифицировать теорию.

“Проблема вычислений в квантовой электродинамике была решена Джулианом Швингером, Синьитиро Томонагой и мною примерно в 1948 г. Швингер первым посчитал поправку, используя некоторую хитрость. … Наконец у нас появилась квантовая теория электричества и магнетизма, при помощи которой мы могли считать! Эту теорию я собираюсь вам описать” (стр.10).

Это удачная, как уверяет нас Фейнман, множество раз проверенная опытом теория:

“… теория описывает все явления физического мира за исключением гравитации – того, что удерживает вас на ваших местах (на самом деле, я думаю, это сочетание гравитации и вежливости) – и радиоактивных явлений, которые состоят в переходах ядер с уровня на уровень” (стр.11).

Если бы Фейнман знал, что гравитация – это резонансное поглощение фотонов, а ядерные силы – это обменные процессы пионами, он бы и их включил во все. Но все же в этой теории есть небольшой изъян – она хорошо описывает только малое количество частиц. А вне этого:

“Я должен внести некоторую ясность. Хоть я и говорю, что все явления физического мира можно объяснить этой теорией, но в действительности мы этого не знаем. Большинство известных нам явлений происходит с участием такого гигантского количества электронов, что проследить за ними не под силу нашему бедному рассудку. В подобных случаях мы можем использовать теорию, чтобы хоть приблизительно вычислить, что должно происходить” (стр.11).

Ладно, мы согласны и на меньшее, но, чтобы по честному. Надо отдать Фейнману должное он не заигрывает с дуализмом.

“Хочу особенно подчеркнуть, что свет существует именно в виде частиц – это очень важно знать. Это особенно важно знать тем из вас, кто ходим в школу, где, возможно, что-то говорили о волновой природе света. Я говорю вам, как он на самом деле ведет себя – как частицы” (стр.17).

Дальше в первой лекции Фейнман описывает свой метод, как при помощи графики (стрелочек) можно определять вероятности тех или иных событий при взаимодействии света и вещества. Здесь он рассматривает отражение и прохождение света через стекло. Оказалось, что одна плоскость стекла (передняя) отражает 4% света, а если отражение происходит и от внутренней (задней) плоскости стекла, то, в зависимости от толщины стекла, отражается от 0% до 16% света. Это изображено на Рис.4 (стр. 21).

Изменяя толщину стекла, мы заставим трещать фотоумножители с различной частотой. Если на фотоумножитель А не попадет ни один фотон, то он будет молчать, в тоже время фотоумножитель B будет щелкать с максимальной скоростью. Если на фотоумножитель А придут 16 фотонов, то он будет, скажем, щелкать 16 раз в секунду, а фотоумножитель B будет щелкать на 16 раз меньше за секунду. Если вместо фотоумножителя поставим самописец, то при равномерном изменении толщины стекла, мы получим синусоидальный график изменения количества прошедших или отраженных фотонов.

“Такое поведение фотонов очень легко объясняется волновой теорией, “… но когда провели эксперименты, в которых на фотоумножители светили очень слабым светом, волновая теория потерпела крах. По мере того, как свет становился все более тусклым, фотоумножители продолжали издавать полновесные щелчки – только они раздавались все реже. Свет вел себя как частицы” (стр. 23).

Фейнман констатирует факт:

“Сегодня ситуация такова, что у нас нет хорошей модели для объяснения частичного отражения от двух поверхностей; мы только вычисляем вероятность того, что в данный фотоумножитель попадает фотон, отраженный от стеклянной пластинки” (стр. 23).

Не будем разделять пессимизм уважаемого физика Ричарда Фейнмана, а попытаемся исправить положение. Обратимся к книге Роджера Пенроуза “Новый ум для короля” и позаимствуем у него картинку (стр. 193).

Но тут другая беда. Какая уж тут интерференция, если здесь нет никакой волны? Перед плоскостями стекла нет никакой волны, как у Пенроуза перед щелями, их также нет и после плоскостей, как после щелей. Вот тут и появляется то ли лукавство, то ли недосмотр Фейнмана. Он контрабандой протащил в свою модель волну. Он наделил фотон вероятностью, изменяющейся по волновому принципу. Вращающаяся стрелочка часов – это не что иное, как волна. Частота вращения стрелочки – это частота волны, а положение стрелочки на циферблате, это фаза этой мнимой волны. Вот если бы Фейнман не побоялся наделить свою корпускулу действительной частотой, т.е. частотой электромагнитного излучения, то его теория приобрела бы реальный смысл. Она описывала бы объективно существующую реальность. А Пенроузу, естественно, следует заменить свою большую волну, на эмиссионный поток Вальтера Ритца.

Рассмотрим еще один пример, чтобы показать, как не точно работает эта теория. Во второй лекции рассматривается пример отражения света от плоскости. Там приводится такой чертеж (стр. 38).

“В этом эксперименте (отражение от одной поверхности) фотон может лететь миллионом различных путей: он может попасть в левую часть зеркала в А или В (например) и отскочить в детектор (см. рис. 20); он может отскочить от той части, от какой он, по вашему мнению, и должен отскакивать – от G; или он может попасть в правую часть зеркала в К или М и отскочить оттуда. Вы можете подумать, что я сошел с ума, так как в большинстве названных мною случаев угол падения не равен углу отражения. Но я не сошел с ума, потому что в действительности свет распространяется именно так! Как это может быть?” (стр. 38).

Как же доказывается, что такое может быть? Фейнман берет левую четверть зеркала, дробит ее на более мелкие фрагменты и рисует стрелочки амплитуд отражения (стр. 43).

Точка D там где-то справа за рисунком. Действительно результирующий вектор равен нулю и это значит, что для каждого маленького вектора есть противоположный. Теперь Фейнман предлагает убрать векторы, примерно одного направления, аккуратно процарапав те точки, в которых отражаются эти вектора. Теперь мы получим луч определенного направления. Если бы мы процарапали точки противоположного направления, то получили бы луч другого направления. И это, как будь то, подтверждается существованием дифракционной решетки.

“Сложив стрелки, направленные более или менее вправо, мы получаем последовательность “прогибов” и довольно значительную результирующую стрелку – согласно теории у нас должно теперь быть сильное отражение! И действительно, оно есть – теория правильна! Такое зеркало называется дифракционной решеткой, и его действие похоже на волшебство.

Не удивительно ли это – вы берете кусочек зеркала, где вы не ожидаете увидеть никакого отражения, сцарапываете его часть его, и оно отражает!” (стр. 43).

Нет, не удивительно. Когда мы сцарапываем зеркало, мы на нем делаем систему зеркал. Каждая бороздка имеет стенки. От этих стенок и отражается фотон. Для фотона даже электрон – гора Эверест, а бороздка – это бездонная пропасть. То есть появляется отраженный свет, а не убирается какой-то компенсирующий свет. Это одно, а второе то, что никакой фотон не может уничтожить другой фотон. Мы купаемся в фотонах, они могут, как змеи проползать друг через друга, не вступая в реакцию между собой. Взаимодействуют они только в поле электрона. А это как раз задача, которую должна решить предлагаемая теория. Но она очень далека от этого и не столько помогает развитию науки, сколько тормозит это развитие.