Глава вторая
Единственная частица во Вселенной
Фейнман, я знаю, почему у всех электронов одинаковые заряд и масса… Просто это один и тот же электрон.
Джон А. Уилер. по сообщению Ричарда Ф. Фейнмана
Его блестящий ум рождал семена оригинальных идей, по всей видимости, невозможных идей, и те падали на благородную почву, поскольку я никогда не возражал там, где любой другой немедленно возразил бы.
Ричард Ф. Фейнман. описывая рабочие отношения с Джоном А. Уилером
Соленые волны Атлантики снова и снова обрушиваются на Рокэуэй-бич, отбивая непрекращающийся ритм. Прибой и песок колышутся точно так же, как и в те дни, когда Фейнман был ребенком. Сотнями миль севернее, в скалистом Мэне, океан пытается разбить вдребезги Хай-Айленд, остров, где Уилеры один раз были на каникулах. Великие физики приходят и уходят, но приливы и отливы возникают там, где встречаются вода и суша, с незапамятных времен.
Маяки отмечают береговую линию, бросая конусы света в сторону погруженного во мрак океана. Точно так же как перемещение молекул воды заставляет море волноваться, перемещение электронов создает световые волны, и в каждом случае движение частиц генерирует последовательность колебаний, распространяющихся через свою среду.
Но на этом сходство кончается.
Волны на воде – механический феномен, который требует материального носителя, а электромагнитное излучение, в том числе видимый свет, может проходить через пустое пространство так же хорошо, как и сквозь материю. Стандартное объяснение этого феномена: электромагнитные волны формируют дуэт электрического и магнитного полей, колеблющихся перпендикулярно друг другу со скоростью света.
«Поле» – что-то вроде рельефа определенного показателя (например электрической напряженности), позволяющего обрисовать, как изменяется значение этого показателя во время движения через пространство. Это нечто вроде карты с нанесенными на нее данными (например, координатами GPS, плотностью населения, высотой над уровнем моря), которые приписаны каждой точке. Поля, чьи показатели характеризуются только значением, именуются «скалярными», а поля, где каждой точке приписано кроме значения еще и указание, в каком направлении и как меняется избранный показатель, называются «векторными».
Подумайте о карте погоды, чтобы понять разницу между скалярным и векторным полем. В любой момент времени в любой точке существует определенная температура, и следовательно, данные о температуре формируют скалярное поле. Но в каждой точке есть и определенная скорость ветра, но здесь у нас, помимо собственно величины (метры в секунду), есть еще и направление – куда ветер дует, поэтому карта скорости ветра составит векторное поле.
В классической теории электромагнетизма векторные поля переносят и электрическую, и магнитную силу. Эти поля заполняют пространство словно безграничное море энергии, электрические поля представляют величину и направление электрической силы на единицу заряда в каждой точке пространства, магнитные поля характеризуют величину магнитной силы на единицу движущегося заряда в каждой точке (по классике, только движущиеся заряды порождают магнетизм).
Поля не только действуют на заряды, они создаются зарядами: один или несколько электрических зарядов автоматически генерируют электрическое поле. Если этот заряд или набор зарядов движется, то непременно возникнет еще и магнитное поле. Направления электрического и магнитного полей, созданных одним набором зарядов, обычно отличаются на девяносто градусов.
Уравнения, предложенные Джеймсом Клерком Максвеллом, показывают, что движение этих полей распространяется с помощью своеобразного «эффекта домино». Изменение электрического поля естественным образом продуцирует изменение расположенного перпендикулярно магнитного, если изменяется второе, то неизбежно меняется первое, и таким образом своеобразный поезд из вибраций с пыхтением движется через пространство.
Это может происходить в вакууме точно так же, как и в плотной среде.
Чтобы начался этот процесс, требуется всего один получивший ускорение заряд, такой, как электрон, двигающийся вверх-вниз в пределах антенны. Это движение производит электрическое поле, колеблющееся вверх и вниз, и магнитное, движущееся вперед-назад (под прямым углом к электрическому). Колебания и движения провоцируют еще больше колебаний, формируя тем самым электромагнитную волну, ну а та со скоростью света путешествует через вакуум и несколько медленнее через материю.
Если волна врезается в другую антенну, она освобождает любой свободный электрон в ее пределах, давая ему возможность двигаться вверх-вниз. Таким образом шаблон с передающей антенны может быть легко воспроизведен на принимающей антенне. Радиосигналы передаются с помощью такого вот копирования – наборы волн, сгенерированные на радиостанции, могут быть переданы на приемник в автомобиле.
В случае с маяками трансляция – созданная в нитях накала, а не в антеннах – имеет более короткую волну и более высокую энергию, попадая тем самым в видимую часть спектра. Получается луч яркого света, легко заметный для путешествующих ночью моряков, которые весьма благодарны, что существует такое проявление электромагнетизма.
Сегодня концепция электромагнитных волн – несущейся через пространство волновой пульсации – принята практически повсеместно. Идея Максвелла была успешно модифицирована, чтобы соответствовать предсказаниям квантовой теории.
Но в начале сороковых годов, когда Джон Уилер и Ричард Фейнман проводили совместные исследования, было не до конца ясно, как выглядит полная квантовая картина электромагнетизма. Поэтому им было вовсе не обязательно включать идею поля в собственные модели. Наши герои рассматривали альтернативы, возрождавшие старую идею Ньютона о «действии на расстоянии»: отдаленное взаимодействие между частицами.
