Линии волнистые, линии прямые и петли
Использовав все инструменты, которыми он овладел в Принстоне, Фейнман начал понимать, что электроны взаимодействуют с квантовым вакуумом способом, изменяющим их массу и заряд. Ему понадобилось несколько этапов, чтобы привести свои результаты в соответствие с тем, что считалось нормальным.
Во-первых, нужно было ликвидировать утверждение, относящееся еще ко временам в МТИ, что электроны не взаимодействуют сами с собой.
Фактически они взаимодействуют, и об этом свидетельствует то, что они могут испускать виртуальный фотон, а затем поглощать его обратно. Эта идея лежала за пределами вычислений Бете, и Фейнман знал, что ему так или иначе придется принять ее.
Поэтому он отложил действие на расстоянии и вернулся к более стандартной концепции взаимодействия электронов через фотоны.
Во-вторых, требовалось отставить мысль о движущихся назад во времени сигналах и обратной причинности. Бете не включил в рассмотрение такую возможность, и, следовательно, она не требовалась и Фейнману. Все равно он сомневался, что на самом деле существуют подобные вещи, пусть даже теория поглощения настаивает на их реальности. Поэтому Ричард заменил смесь пятьдесят на пятьдесят прямых и обратных сигналов на сигналы, идущие только вперед.
Другими словами, фотоны путешествовали только в будущее, и причина всегда опережала следствие.
Но Фейнман, несмотря ни на что, сохранил два аспекта предыдущих гипотез. Хотя он отказался от идеи движущихся назад во времени сигналов, концепцию позитронов как движущихся назад во времени электронов (которую высказал Уилер) он оставил. Единственная альтернатива для описания позитронов базировалась на дырочной теории Дирака и была крайне сложной в приложении к точным вычислениям. Двигающиеся назад во времени электроны Уилера казались безумием, но их легко было описать математически.
Фейнман просто проигнорировал утверждение, что все электроны это один и тот же электрон, содержащееся в гипотезе наставника, и перешел к более полезному подходу: простому пути представления позитронов. Что более важно, он продолжил использовать интеграл по траекториям, загоняя квантовую электродинамику в рамки своего пространственно-временного подхода.
Его метод базировался на приписывании каждому из возможных квантовых путей определенного значения, названного «амплитудой» и полученного перемножением преобразующих функций. Возведенные в квадрат амплитуды определяют вероятности. Получился разумный и продуктивный способ описания того, как квантовые поля взаимодействуют в физике частиц.
Уилер в свое время вбил в голову Фейнману важность диаграмм в описании физических феноменов. Ричард любил рисование и находил визуальные репрезентации очень полезными, так что он решил придумать собственную стенографию, чтобы изображать взаимодействия элементарных частиц.
Пространство откладываем по одной оси координат, время – по другой и получаем сущность того, как ведут себя частицы. И, в качестве бонуса, пространственно-временные диаграммы выглядят идеально для того, чтобы включить в рассмотрение эффекты специальной теории относительности. Такие репрезентации в виде рисунков, впоследствии получившие развитие в дискуссиях с Фрименом Дайсоном о графах в математике, вскоре стали известны как «диаграммы Фейнмана».
Ранние их образцы выглядели сравнительно примитивными, скорее, набросками. Постепенно, обсуждая технику с Фрименом, Ричард выработал строгий порядок их создания, а вклад первого в разработку метода был так велик, что многие ранние отсылки к нему упоминают Дайсона как соавтора.
В финальной версии диаграмм Фейнмана электроны (и другие частицы материи) изображались в качестве отрезков прямой, нацеленных вперед во времени, и стрелки обычно указывали их направление. Позитроны тоже представали как отрезки прямой, но ориентированные назад во времени. Волнистые линии символизировали фотоны, как они испускаются или поглощаются заряженными частицами, или как улетают в пространство. Петли показывали виртуальный электрон и виртуальный позитрон (или другую пару частица-античастица), появляющиеся из вакуума и затем возвращающиеся в него посредством взаимной аннигиляции.
Другой способ восприятия описанного петлей процесса – виртуальный электрон кружит через время, назад и вперед, снова и снова; и в этом смысле замкнутый круг символизировал нечто вроде квантового Уробороса (змея, поедающая собственный хвост).
Следовательно, для электрона, испускающего фотон, который будет захвачен другим электроном, диаграмма покажет отрезки прямой для каждого влетающего электрона, волнистую линию, соединяющую их пути, и направленные под различными углами отрезки для исходящих электронов. Изменение в направлениях электронов станет результатом обмена фотонами, а стрелка для каждого электрона будет направлена вперед во времени; иначе диаграмма отобразит позитроны.
Чтобы принять в расчет интеграл по траекториям, Фейнман рисовал отдельную диаграмму для каждой из возможных траекторий. Конечно, некоторые являлись менее вероятными, чем другие, но в расчетах должны были участвовать все, взвешенные с учетом их вероятности. Следовательно, типичное событие в жизни частиц, такое как рассеивание, будет описываться набором диаграмм, а не одной.
Еще Ричард рассчитывал возможные значения для спинового квантового числа, другого важного фактора.
Чтобы показать, как вакуумные эффекты производят Лэмбовский сдвиг, Фейнман изобразил отрезок прямой для «голого электрона» и назвал его «прямым путем». После этого он пририсовал к сегменту волнистую кривую, показывая, что произойдет, если электрон испустит, а затем поглотит виртуальный фотон. Он интерпретировал введение фотона как «коррекцию», соответствующую определенной квантовой флуктуации.
Это была одна из возможных траекторий.
Другая диаграмма, с которой Фейнман работал позже, включала петлю, соединенную с отрезком посредством волнистой линии. Диаграмма описывала электрон, испускающий виртуальный фотон, в свою очередь, производящий виртуальную пару частица-античастица.
Добавив эти две диаграммы, Ричард получил коррекцию первого порядка (самую базовую) к энергии электрона, дающую приближенное значение для спектрального сдвига, зарегистрированного Лэмбом и Резерфордом. Чтобы получить коррекцию второго порядка, необходимо использовать диаграммы с двумя петлями, и т. д.
В своем стремлении добиться правильных значений Фейнман позволял себе некоторые вольности. Пока он разрабатывал метод диаграмм, он не проверял их математическую точность.
Тем не менее схема, пусть с поправками, но работала. Она была чем-то вроде временной радарной системы, созданной с помощью кучи проводов, когда радость вызывает сам факт, что она функционирует, что засветки появляются на экране, а мысли по поводу того, верно ли соединены все контакты, не приходят в голову.
«Ты знаешь, что большая часть моей работы в какой-то степени удачная догадка, – писал Фейнман позже физику Теду Велтону из Пенсильванского университета, старому другу по МТИ. – Математическое обоснование обычно следует за физическими идеями, которые я не всегда полностью понимаю, хотя они кажутся мне очень простыми»58.
Фейнман преимущественно заботился о том, соответствуют ли его результаты экспериментальным данным или нет. Математики и философы могут тратить силы, споря о причине и рифме, но только не он. Когда диаграммы Ричарда давали корректный ответ предсказуемым образом, он чувствовал себя счастливым.
Как заметил историк науки Дэвид Кайзер: «Фейнман пылко верил, что диаграммы были более важными и значимыми, чем обоснование их применения. Фактически Фейнман игнорировал эту тему в его статьях, лекциях и переписке»59.
К счастью, Дайсон, объявившийся в Корнелле в качестве аспиранта Бете, помог развить и продвинуть диаграммы Фейнмана, связав их с другими интерпретациями квантовой электродинамики. Его унификация различных методов оказалась очень важной для окончательного успеха.
